CN116429897B - 海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，属于海上风电技术领域。该监测系统包括冲刷监测装置、水密电子舱、无人机、数据采集仪和数据处理设备。冲刷监测装置包括侧扫声呐换能器和检波器；侧扫声呐换能器设置于桩基基础的外周面上；多个检波器位于侧扫声呐换能器的正下方。侧扫声呐换能器向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲，声脉冲碰到冲刷坑界面时，部分反射波反射回来被检波器接收、传输给水密电子舱、数据采集仪。从数据采集仪提取出回波数据后，分辨出冲刷坑反射波波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置；进而确定冲刷坑的大小和形态。

Description

海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法

技术领域

本发明涉及一种海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，属于海上风电技术领域。

背景技术

近年来，为了应对化石能源枯竭、环境恶化等问题，海上风电在世界各地得到迅速发展。至2022年底，全球海上风电总装机容量达到64.3GW。海上风电采用的基础结构主要包括单桩、重力式、三脚架、导管架和浮式基础等，其中单桩基础建设成本低，安装简单方便，所以应用最为广泛，全球市场占比高达70%以上。

海上风电基础所处环境复杂、使用周期长，支撑结构会受到海水腐蚀、洋流冲击、局部冲刷等各种不利因素的影响，其中局部冲刷是结构安全的主要问题。海床在设置了桩基后，原来的流场发生了改变，在马蹄形涡流、侧向加速绕流和尾涡的共同作用下，桩基周围形成冲刷坑。冲刷坑的加深会增加结构的自由悬臂长度，造成基础的刚度和承载力降低，严重时会造成风电机组的坍塌。因此，冲刷坑的实时监测是规避风险的重要举措。

目前桩基冲刷的检测主要采用船载多波束声呐系统定期出海扫测，费用昂贵且无法做到实时监测。CN 113029054 A、CN 106917420 A、CN 108755786 A、CN 110133666 A、CN113123376 A、CN 113684857 A等，均为风电桩基础冲刷坑实时监测提供了较好的思路。但这些技术仍存在许多不足，如不具有实时监测效果、需要在海床进行安装设备不利于维护、不能反映冲刷坑的整体形态、无成套监测系统设备等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决目前对于海上风电桩基础冲刷坑监测方法信息精度低，安装复杂且不利于维护、不能直观准确提供冲刷坑的三维形态等信息的技术问题；从而提供一种用于监测海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，其中，冲刷监测装置采集的反射波数据进行数据处理即可得到冲刷坑界面的三维形态，提供了准确的维护信息；采用卡箍将将冲刷监测装置安装在风电桩基础上，而不必在海床上布设装置，具有操作简单、安装方便、便于维护等特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，包括：

多个冲刷监测装置；每个所述冲刷监测装置包括一个侧扫声呐换能器和多个检波器；所述侧扫声呐换能器，设置于风电桩基础的外周面上，向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲；所述多个检波器，位于所述侧扫声呐换能器的正下方，沿风电桩基础的长度方向间隔分布，接收由冲刷坑界面返回的回波信号；

水密电子舱，其内部采用模块化设计，包括电源模块、信号发射模块、第一通信模块、和信号接收模块；其中，所述电源模块，一方面给所述信号发射模块、第一通信模块、信号接收模块及所述冲刷监测装置供电，另一方面与风电机电连接获得电能；所述信号发射模块控制所述侧扫声呐换能器；所述信号接收模块，其接收信号通道数量和所述检波器数量一致，接收来自所述检波器的回波信号，将所述回波信号转换为回波数据；所述第一通信模块用于指令、信号和数据的传输；

数据采集仪，由所述无人机搭载，包括第二通信模块、控制模块和数据储存模块；所述控制模块向所述信号发射模块发出指令；所述数据储存模块接收来自所述信号接收模块的回波数据；所述第二通信模块用于指令、信号和数据的传输；

数据处理设备，处理来自所述数据储存模块的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像。

根据本发明公开的实施例，所述多个检波器等间距排列。

根据本发明公开的实施例，相邻所述检波器之间的距离为40cm—80cm。

根据本发明公开的实施例，所述多个检波器排列总长度为10±1m。

根据本发明公开的实施例，所述第一通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块，所述第二通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块。

根据本发明公开的实施例，沿风电桩基础的周向等距安装八个所述冲刷监测装置。

根据本发明公开的实施例，所述冲刷监测装置完全淹没在水下，所述冲刷监测装置底部靠近海床表面。

根据本发明公开的实施例，所述侧扫声呐换能器的声脉冲信号的频率为50kHz—200kHz；所述侧扫声呐换能器发射的扇形波束，沿周向的束宽开角小于等于2°，沿径向的束宽开角为45°—60°。

海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的监测方法，包括以下步骤：

将所述水密电子舱的发射信号通道、接收通道与所述侧扫声呐换能器和所述检波器连接；

根据海上风电机的空间布局，设定所述无人机飞行的最优航线，无人机工作时用GPS定位；所述最优航线指的是在所述数据采集仪能够连接到所有的所述冲刷监测装置、完成数据采集的前提下，飞行距离最短、花费时间最少的航线；

所述无人机到达风电机附近后，所述数据采集仪和所述水密电子舱通过所述第一通信模块、第二通信模块无线连接；所述数据采集仪下达指令，所述水密电子舱将采集到的回波数据传输给所述数据采集仪；断开所述数据采集仪和所述水密电子舱之间的通信连接；所述无人机飞往下一个风电机继续采集数据；

完成所有采集任务后，所述无人机按既定路线返航，将数据采集仪存储的回波数据提取到计算机进行数据处理。

根据本发明公开的实施例，所述数据处理的方法：

提取出回波数据后，将杂波剪切，保留地形反射波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置，根据反射波产生的空间位确定冲刷坑的大小和形态；

所述逆时偏移成像的实现过程如下：

（1）首先，波场传播的过程采用有限差分法求解波动方程来实现；

二维常密度波动方程表达式如下：

，

式中：v为介质速度；p为压力波场；

波动方程的有限差分格式：

，

式中：i、j分别表示x和z方向的离散网格节点的空间坐标，ｋ表示时间方向的离散网格点；Δx和Δz为空间采样间隔，Δt为时间步长，c _m 为2N阶精度有限差分系数；

（2）利用波动方程的有限差分格式对声源波场进行正推；震源波场沿时间正向传播时，给定声源作为初始条件，并记录下所有空间位置上的波场值；声源波场时间正向外推可表示为：

，

式中：f(t)为震源函数；

（3）将检波器接收的反射波进行波场逆推；从最大时刻开始，对所有的检波器接收到的反射波记录加入到波场计算中，同时记录每个时刻所有空间位置上的波场值，直到零时刻为止；检波点波场逆时外推可表示为：

,

式中，p（x _r ,z _r ,t）表示在检波点添加的波场记录；u（x _r ,z _r ,t）表示检波器接收到的反射波记录；

（4）然后在地下所有空间位置的网格点上，对震源波场和检波点波场进行互相关，得到每个时刻的互相关成像：

，

在成像空间位置的网格点上，对上一步所有时间的波场值进行求和，输出结果，此时的结果即为逆时偏移的成像结果,逆时偏移的单炮成像结果可表示为：

，

式中：I(x,z)——成像结果；p _s (x,z;t)——震源正向传播波场；p _r (x,z;t)——检波点逆时延拓波场；

根据单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果，获得对应径向上的冲刷坑二维形态；

对单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果进行曲线拟合，推测冲刷坑完整的二维形态：

采用最小二乘法多项式进行曲线拟合，从成像结果选取多个成像点的坐标p_i(x_i,y_i)，用近似曲线y=φ(x)来拟合点坐标所满足的函数关系；设近似曲线为：

，

式中：k为曲线拟合的阶数，k＝2或3；

近似曲线在点p_i处的偏差δ_i=φ(x_i)-y_i，近似曲线的参数a_i按偏差的平方和最小的原则求取:

；

将冲刷坑8个方向上完整的二维形态进行空间插值，得出冲刷坑的三维形态。

信号发射模块驱动侧扫声呐换能器发射扇形波束的声脉冲，当声波向下传播触碰到冲刷坑界面时，海水和海床介质速度存在突变，这时声波会出现折射和反射现象。部分反射波会反射回来，被风电桩基础上的检波器接收，不同检波器接收到反射波的时间不同。根据反射原理，不同检波器接收到的回波信号来自于冲刷坑界面上不同的反射位置，只要确定冲刷坑地形的回波信号产生的空间位置，也就确定了冲刷坑的大小和形态。

因为冲刷坑界面的反射波从风电桩基础底部往上传播，位于下侧的检波器通常先接收到回波。所以提取出回波数据后，由检波器阵列接收到的单炮记录中可以轻易分辨出冲刷坑界面的反射波信号。将其余杂波剪切，然后利用逆时偏移成像就可以确定反射波产生的空间位置。

逆时偏移是地质勘探中一种先进的地震偏移成像方法，逆时偏移成像的主要思想是基于一定的速度模型，首先将震源波场在时间轴正方向上进行正推，保存各个时间步长的波场值。然后将检波点接收到的波场信息从最大时刻开始沿着时间轴负方向上进行逆推，同样保存各个时间步长的波场值。最后应用互相关成像条件，将所有时间步长上可能相遇的震源波场和接收点波场相乘叠加，得到最终的成像结果。

本发明的有益效果是：

1、形成了有效应用于海上风电桩基础冲刷坑冲刷形态监测系统；

2、采用卡箍将将冲刷监测装置安装在风电桩基础上，而不必在海床上布设装置，具有操作简单、安装方便、便于维护等特点，单个冲刷监测装置通过侧扫声呐换能器向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲，线性布置的检波器阵列接收冲刷坑界面的反射波信号，可确定反射波的传播时间和传播方向。由逆时偏移成像可确定反射波产生的位置，也就直观地反映出了冲刷坑的形态；

3、采用无人机进行数据采集，有效实现远程监测，可及时发现海上风电桩基础冲刷问题；

4、根据冲刷监测装置采集的反射波数据可以得到一个方位上的二维成像结果，根据成像结果进行曲线拟合，可以得到冲刷坑界面的二维形态。将不同方位上的冲刷监测装置采集到的数据进行处理，可得到冲刷坑界面多个方位上的二维形态，然后只需要进行简单的空间插值处理就可以得到冲刷坑界面的三维形态，给予技术支持人员提供准确的维护信息，为治理工作指导。

附图说明

图1是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的无人机数据采集示意图；

图2是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的工作示意图；

图3是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的布置俯视图；

图4是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的组成示意图；

图5是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的用于固定冲刷监测装置的第一卡箍结构示意图；

图6是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的用于固定冲刷监测装置的第二卡箍结构示意图；

图7是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的声波在冲刷坑界面发生反射模拟图；

图8是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的水密电子舱的组成图；

图9是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的冲刷监测装置的数据采集仪的组成图；

图10是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测方法的逆时偏移成像流程图；

图11是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的检波器接收到的反射波模拟图；

图12是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测方法的声源波场进行正推和检波器波场逆推原理图；

图13是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测方法的检波器波场逆推原理图；

图14是本发明实施例公开的海上风电桩基础冲刷坑形态的监测方法的逆时偏移成像结果，根据成像结果进行曲线拟合出冲刷坑的二维形态图；

图15是三维空间插值示意图,由多个方位的二维成像结果进行空间插值，得出冲刷坑三维形态的示意图。

图中，1.风电机，11.风电桩基础，2.无人机，3.水密电子舱，4.冲刷监测装置，41.底座，42.侧扫声呐换能器，421.扇形超声波脉冲波束，43.检波器，44.第一卡箍，45.第二卡箍，5.数据采集仪，6.数据处理设备，7.冲刷坑界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图6所示，海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，包括多个冲刷监测装置4、一个水密电子舱3、一架无人机2、一台数据采集仪5和一台数据处理设备6。如图1所示，无人机2按照预定航线飞到风电机1旁，完成监测任务并采集监测数据后返回，将数据传输给数据处理设备6。

如图2所示，风电桩基础11上部黑色的盒子是水密电子舱3；中间是冲刷监测装置4，冲刷监测装置4左边是侧扫声呐波束的沿径向的束宽开角为45°—60°，右侧的线条表示声波从侧扫声呐换能器42出发，传播到冲刷坑界面7后发生反射，反射波被检波器43接收到的过程；旁边是无人机2，无人机2上搭载的是数据采集仪5。

如图3所示，中间圆圈是风电桩基础11，圆圈外面的八个装置是冲刷监测装置4，最外面那圈表示的是冲刷坑界面7。

图4是冲刷监测装置4的组成部分，两个卡箍（包括第一卡箍44和第二卡箍45）和一个底座41，底座41安装有一个侧扫声呐换能器42，线性布置的接收器若干，上部有内陷挂钩，中间有开槽。

如图2所示，通过数值模拟侧扫声呐换能器42发射声波，声波到达冲刷坑界面7发生反射，布置在风电桩基础11上的检波器43接收到反射波。

如图11所示，其中，纵坐标代表检波器43的数目，从风电桩基础11上部往下排列，横坐标代表信号采集时间，从图中可看出不同检波器43接收到反射波的时间不同。

如图2-图6所示，每个冲刷监测装置4均包括一个侧扫声呐换能器42和多个检波器43；侧扫声呐换能器42设置于风电桩基础11的外周面上；多个检波器43位于侧扫声呐换能器42的正下方，多个检波器43沿风电桩基础11的长度方向间隔分布。侧扫声呐换能器42和检波器43线性排列，在风电桩基础11的外周面上沿风电桩基础的长度方向延伸。侧扫声呐换能器42置于最上方，多个检波器11在风电桩基础的长度方向上间隔布置。多个检波器43可以等间距排列，等间距为40cm—80cm，即，相邻两个检波器43之间的距离为40cm—80cm。检波器43排列总长度可以为10±1m。

侧扫声呐换能器42作为声源向冲刷坑界面7发射扇形超声波脉冲波束421，声脉冲信号的频率在50kHz与200kHz之间。侧扫声呐换能器42发射出的扇形超声波脉冲波束421沿周向的束宽很窄，开角小于等于2°，以保证较高分辨率。侧扫声呐换能器42发射出的扇形超声波脉冲波束421径向束宽较宽，开角为45°—60°，以保证一定的监测范围。

如图7所示，当侧扫声呐换能器42作为声源向冲刷坑界面7发射扇形超声波脉冲波束421的声脉冲向下传播触碰到冲刷坑界面7时，海水和海床介质速度存在突变，这时声波会出现折射和反射现象。部分反射波会反射回来，被风电桩基础11上的检波器43接收，不同检波器43接收到反射波的时间不同。检波器43用于接收回波信号，检波器43在纵向间隔排列是为了接收到冲刷坑界面7上不同位置的反射波，便于后期成像处理。

如图4所示，每个冲刷监测装置4还包括底座41；底座41可以为不锈钢底座。侧扫声呐换能器42和检波器43可以安装在不锈钢底座上。在不锈钢底座表面涂抹防水涂料层，不锈钢底座连接还原性较强的金属材料如镁合金或铝合金；还原性较强的金属将作为负极发生氧化还原而消耗，不锈钢底座作为正极就可以避免腐蚀。为了便于安装，不锈钢底座上部做一个内陷挂钩式设计，中间进行开槽。

如图2-图6所示，多个冲刷监测装置4可以沿风电桩基础11的周向等距分布。冲刷监测装置4的数量可以为八个。沿风电桩基础11的周向等距安装八个冲刷监测装置4。冲刷监测装置4的安装高度应使得冲刷监测装置4完全淹没在水下；具体的，冲刷监测装置4底部尽可能靠近海床表面。冲刷监测装置4可以采用卡箍进行安装固定。卡箍可以包括第一卡箍44和第二卡箍45。具体的，沿第一卡箍44周向设置八个向外凸的卡槽，卡槽和底座41上部挂钩配套，使得底座41能够挂在第一卡箍44上。安装时，先将第一卡箍44固定在风电桩基础11上，然后将八个冲刷监测装置4挂在第一卡箍44上，最后用第二卡箍45沿着底座41中间的卡槽进行环向加固。

水密电子舱3用于根据指令（该指令由数据采集仪的控制模块发出）驱动冲刷监测装置4发射声脉冲信号、接收回波信号、将回波信号转换为回波数据，并将回波数据传输到无人机搭载的数据采集仪5。水密电子舱3安装在水面以上。

如图8所示，水密电子舱3内部采用模块化设计，主要包括电源模块、第一通信模块、信号发射模块和信号接收模块。

电源模块，一方面给信号发射模块、第一通信模块、信号接收模块及冲刷监测装置4供电，另一方面与风电机1电连接获得电能。电源模块通过导线与风电机1连接，风电机1给电源模块进行电能补给。

第一通信模块，用于连接无人机2搭载的数据采集仪5，接收由数据采集仪5的控制模块发出的指令并传输采给信号发射模块。第一通信模块可以为5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块。

信号发射模块根据控制模块发出的指令控制信号发射，驱动侧扫声呐换能器42发射脉冲信号。

信号接收模块的接收信号通道数量和检波器43数量一致，用于接收检波器43接收的回波信号。信号接收模块包括放大器、带通滤波和模数转换器。超声波传感器接收到回波信号后开始起振，压电晶片产生等量的异性电荷，这些电荷量很小只能够提供微弱的交变电压信号，而不产生直流信号。信号接收模块的主要目的就是准确获得超声波回波达到时间。所以需要放大回波信号，同时滤除掉噪声等干扰信号，使得能够准确获得超声波回波达到时间。信号接收模块从检波器接收到的回波信号为模拟信号，模拟信号需要转换为数字量才能进一步进行处理，模数转换器是将模拟信号转换为数字信号。具体的，信号接收模块可以通过A/D转换器将采集到的将回波信号转换为回波数据，并将采集的回波数据通过第一通信模块传输给无人机数据采集仪。

数据采集仪5由无人机2搭载。如图9所示，数据采集仪5包括第二通信模块、控制模块和数据储存模块。第二通信模块用于连接水密电子舱3，发送采集指令和接收采集数据。控制模块用于下达工作指令，实现数据采集和储存。数据储存模块用于储存采集到的回波信号。数据采集仪5设置有Type-C通讯接口，与数据处理设备6连接，传输采集数据。

无人机2搭载数据采集仪5由无人机机场出发，根据预设航线飞行，到达需要监测的风电机附近后进行数据采集，采集完毕后返回无人机机场。

数据处理设备6可以为计算机，用于处理数据采集仪采集回来的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像（如图10所示）。

如图1-图14所示，海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的工作过程为：数据采集仪的控制模块通过第二通信模块、第一通信模块向信号发射模块发出指令；信号发射模块根据指令控制侧扫声呐换能器向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲；多个检波器接收冲刷坑界面的反射波信号；信号接收模块接收来自检波器的回波信号，将回波信号转换为回波数据，并将回波数据通过第一通信模块、第二通信模块传输给数据储存模块；数据处理设备处理来自数据采集仪的数据储存模块的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像。

采用上述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的监测方法，包括以下步骤：

将水密电子舱3的发射信号通道、接收通道与侧扫声呐换能器42和检波器43连接。

根据海上风电机1的空间布局，设定无人机2飞行的最优航线，无人机2工作时用GPS定位；最优航线指的是在数据采集仪5能够连接到所有的冲刷监测装置4、完成数据采集的前提下，飞行距离最短、花费时间最少的航线；GPS定位采用PPK技术，即利用载波相位进行事后差分的GPS定位的动态后处理技术。

无人机2到达风电机1附近后，数据采集仪5和水密电子舱3通过第一通信模块、第二通信模块无线连接；数据采集仪5向水密电子舱3下达指令，水密电子舱3的信号发射模块驱动侧扫声呐换能器42发射扇形超声波脉冲波束421，水密电子舱3采集到的回波数据并将采集到的回波数据传输给数据采集仪5。每个冲刷监测装置4由独立的发射信号通道和接收通道控制，依次完成回波信号的采集和传输。一个冲刷监测装置4的数据采集完毕后，断开数据采集仪5和水密电子舱3之间的通信连接，无人机2飞往下一个风电机1继续采集数据。

完成所有采集任务后，无人机2按既定路线返航，将数据采集仪5存储的回波数据提取到计算机进行数据处理。计算机进行数据处理的方法如图10-图15所示：

根据反射原理，如图11所示，不同检波器43接收到的反射波信号来自于冲刷坑界面7上不同的反射位置，只要确定冲刷坑地形的反射波产生的空间位置，也就确定了冲刷坑的大小和形态。

因为冲刷坑界面7的反射波从风电桩基础11底部往上传播，位于下侧的检波器43通常先接收到反射波。所以提取出回波数据后，由检波器43阵列接收到的单炮记录中可以轻易分辨出地形的反射波信号。将其余杂波剪切，只保留下冲刷坑界面7的反射波记录，然后利用逆时偏移成像就可以确定反射波产生的空间位置。

逆时偏移是地质勘探中一种先进的地震偏移成像方法，逆时偏移成像的主要思想是基于一定的速度模型，首先将声源波场在时间轴正方向上进行正推，保存各个时间步长的波场值。然后将检波器接收到的波场信息从最大时刻开始沿着时间轴负方向上进行波场反推，同样保存各个时间步长的波场值，声源正推的波场和检波器逆推的波场在同一时刻到达冲刷坑界面，如图12、图13所示；最后应用互相关成像条件，将所有时间步长上的声源波场和接收器波场进行互相关，得到最终的成像结果，如图14、图15所示。

如图10-图15所示，逆时偏移成像的实现过程如下：

（1）首先，波场传播的过程采用有限差分法求解波动方程来实现；

二维常密度波动方程表达式如下：

，

式中：v为介质速度；p为压力波场；

波动方程的有限差分格式：

，

式中：i、j分别表示x和z方向的离散网格节点的空间坐标，ｋ表示时间方向的离散网格点；Δx和Δz为空间采样间隔，Δt为时间步长，c _m 为2N阶精度有限差分系数；

（2）利用波动方程的有限差分格式对声源波场进行正推，如图12所示；震源波场沿时间正向传播时，给定声源作为初始条件，并记录下所有空间位置上的波场值；声源波场时间正向外推可表示为：

，

式中：f(t)为震源函数；

（3）将检波器接收的反射波进行波场逆推，如图13所示；从最大时刻开始，对所有的检波器接收到的反射波记录加入到波场计算中，同时记录每个时刻所有空间位置上的波场值，直到零时刻为止；检波点波场逆时外推可表示为：

,

式中，p（x _r ,z _r ,t）表示在检波点添加的波场记录；u（x _r ,z _r ,t）表示检波器接收到的反射波记录；

（4）然后在地下所有空间位置的网格点上，对震源波场和检波点波场进行互相关，得到每个时刻的互相关成像：

，

在成像空间位置的网格点上，对上一步所有时间的波场值进行求和，输出结果，此时的结果即为逆时偏移的成像结果,逆时偏移的单炮成像结果可表示为：

，

式中：I(x,z)——成像结果；p _s (x,z;t)——震源正向传播波场；p _r (x,z;t)——检波点逆时延拓波场；

根据单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果，获得对应径向上的冲刷坑二维形态；在大量模拟试验中发现冲刷坑界面的大部分轮廓都可以呈现出来，但是靠近桩基处的界面无法分辨出来。这是由于检波器位于冲刷坑上部，无法接收到靠冲刷坑底部的反射波，所以无法成像。此时，需要对单个冲刷监测装置的回波记录成像结果进行曲线拟合，推测冲刷坑完整的二维形态。

对单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果进行曲线拟合，推测冲刷坑完整的二维形态，如图14所示。

采用最小二乘法多项式进行曲线拟合，从成像结果选取多个成像点的坐标p_i(x_i,y_i)，用近似曲线y=φ(x)来拟合点坐标所满足的函数关系；设近似曲线为：

，

式中：k为曲线拟合的阶数，根据海上风电桩基础冲刷坑的实际形态，拟合曲线的阶数选择2阶或3阶较为合适。

近似曲线在点p_i处的偏差δ_i=φ(x_i)-y_i，近似曲线的参数a_i按偏差的平方和最小的原则求取:

；

由单个冲刷监测装置的检测数据可以得到冲刷坑对应径向的二维形态，如图14所示。根据8个冲刷监测装置的检测数据得到的8个径向上的二维成像结果进行空间插值，就可得出冲刷坑的三维形态，如图15所示。根据三维结果能够计算出冲刷坑的体积，为砂土回填提供指导。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，包括：

多个冲刷监测装置；每个所述冲刷监测装置包括一个侧扫声呐换能器和多个检波器；所述侧扫声呐换能器，设置于风电桩基础的外周面上，向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲；所述多个检波器，位于所述侧扫声呐换能器的正下方，沿风电桩基础的长度方向间隔分布，接收由冲刷坑界面返回的回波信号；

所述多个检波器等间距排列；相邻所述检波器之间的距离为40cm—80cm；所述多个检波器排列总长度为10±1m；

水密电子舱，其内部采用模块化设计，包括电源模块、信号发射模块、第一通信模块和信号接收模块；其中，所述电源模块，一方面给所述信号发射模块、第一通信模块、信号接收模块及所述冲刷监测装置供电，另一方面与风电机电连接获得电能；所述信号发射模块控制所述侧扫声呐换能器；所述信号接收模块，其接收信号通道数量和所述检波器数量一致，接收来自所述检波器的回波信号，将所述回波信号转换为回波数据；所述第一通信模块用于指令、信号和数据的传输；

无人机；

数据采集仪，由所述无人机搭载，包括第二通信模块、控制模块和数据储存模块；所述控制模块向所述信号发射模块发出指令；所述数据储存模块接收来自所述信号接收模块的回波数据；所述第二通信模块用于指令、信号和数据的传输；

数据处理设备，处理来自所述数据储存模块的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像；

数据处理的方法：

提取出回波数据后，将杂波剪切，保留地形反射波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置，根据反射波产生的空间位确定冲刷坑的大小和形态；

所述逆时偏移成像的实现过程如下：

(1)首先，波场传播的过程采用有限差分法求解波动方程来实现；

二维常密度波动方程表达式如下：

式中：v为介质速度；p为压力波场；

波动方程的有限差分格式：

式中：i、j分别表示x和z方向的离散网格节点的空间坐标，k表示时间方向的离散网格点；Δx和Δz为空间采样间隔，Δt为时间步长，c_m为2N阶精度有限差分系数；

(2)利用波动方程的有限差分格式对声源波场进行正推；声源波场沿时间正向传播时，给定声源作为初始条件，并记录下所有空间位置上的波场值；声源波场时间正向外推可表示为：

式中：f(t)为声源函数；

(3)将检波器接收的反射波进行波场逆推；从最大时刻开始，对所有的检波器接收到的反射波记录加入到波场计算中，同时记录每个时刻所有空间位置上的波场值，直到零时刻为止；检波点波场逆时外推表示为：

式中，p(x_r,z_r；t)表示在检波点添加的波场记录；u(x_r,z_r；t)表示检波器接收到的反射波记录；

(4)然后在地下所有空间位置的网格点上，对声源波场和检波点波场进行互相关，得到每个时刻的互相关成像：

I(x,z；t_i)＝p_s(x,z；t_i)p_r(x,z；t_i)

在成像空间位置的网格点上，对上一步所有时间的波场值进行求和，输出结果，此时的结果即为逆时偏移的成像结果,逆时偏移的单炮成像结果表示为：

I(x,z)＝∫p_s(x,z；t)p_r(x,z；t)dt

式中：I(x,z)——成像结果；p_s(x,z,；t)——声源正向传播波场；p_r(x,z,；t)——检波点逆时延拓波场；

根据单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果，获得对应径向上的冲刷坑二维形态；

对单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果进行曲线拟合，推测冲刷坑完整的二维形态：

采用最小二乘法多项式进行曲线拟合，从成像结果选取多个成像点的坐标p_i(x_i,y_i)，用近似曲线y＝φ(x)来拟合点坐标所满足的函数关系；设近似曲线为：

式中：k为曲线拟合的阶数，k＝2或3；

近似曲线在点p_i处的偏差δ_i＝φ(x_i)-y_i，近似曲线的参数a_i按偏差的平方和最小的原则求取:

将冲刷坑8个方向上完整的二维形态进行空间插值，得出冲刷坑的三维形态。

2.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述第一通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块，所述第二通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块。

3.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，沿风电桩基础的周向等距安装8个所述冲刷监测装置。

4.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述冲刷监测装置完全淹没在水下，所述冲刷监测装置底部靠近海床表面。

5.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述侧扫声呐换能器的声脉冲信号的频率为50kHz—200kHz；所述侧扫声呐换能器发射的扇形波束，沿周向的束宽开角小于等于2°，沿径向的束宽开角为45°—60°。

6.采用权利要求1-5任意一项所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述水密电子舱的发射信号通道、接收通道与所述侧扫声呐换能器和所述检波器连接；

根据海上风电机的空间布局，设定所述无人机飞行的最优航线，无人机工作时用GPS定位；

所述无人机到达风电机附近后，所述数据采集仪和所述水密电子舱通过所述第一通信模块、第二通信模块无线连接；所述数据采集仪下达指令，所述水密电子舱将采集到的回波数据传输给所述数据采集仪；断开所述数据采集仪和所述水密电子舱之间的通信连接；所述无人机飞往下一个风电机继续采集数据；

完成所有采集任务后，所述无人机按既定路线返航，将数据采集仪存储的回波数据提取到数据处理设备进行数据处理；

所述数据处理的方法：

提取出回波数据后，将杂波剪切，保留地形反射波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置，根据反射波产生的空间位确定冲刷坑的大小和形态；

所述逆时偏移成像的实现过程如下：

(1)首先，波场传播的过程采用有限差分法求解波动方程来实现；

二维常密度波动方程表达式如下：

式中：v为介质速度；p为压力波场；

波动方程的有限差分格式：

式中：i、j分别表示x和z方向的离散网格节点的空间坐标，k表示时间方向的离散网格点；Δx和Δz为空间采样间隔，Δt为时间步长，c_m为2N阶精度有限差分系数；

(2)利用波动方程的有限差分格式对声源波场进行正推；声源波场沿时间正向传播时，给定声源作为初始条件，并记录下所有空间位置上的波场值；声源波场时间正向外推可表示为：

式中：f(t)为声源函数；

(3)将检波器接收的反射波进行波场逆推；从最大时刻开始，对所有的检波器接收到的反射波记录加入到波场计算中，同时记录每个时刻所有空间位置上的波场值，直到零时刻为止；检波点波场逆时外推表示为：

式中，p(x_r,z_r；t)表示在检波点添加的波场记录；u(x_r,z_r；t)表示检波器接收到的反射波记录；

(4)然后在地下所有空间位置的网格点上，对声源波场和检波点波场进行互相关，得到每个时刻的互相关成像：

I(x,z；t_i)＝p_s(x,z；t_i)p_r(x,z；t_i)

在成像空间位置的网格点上，对上一步所有时间的波场值进行求和，输出结果，此时的结果即为逆时偏移的成像结果,逆时偏移的单炮成像结果表示为：

I(x,z)＝∫p_s(x,z；t)p_r(x,z；t)dt

式中：I(x,z)——成像结果；p_s(x,z,；t)——声源正向传播波场；p_r(x,z,；t)——检波点逆时延拓波场；

根据单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果，获得对应径向上的冲刷坑二维形态；

对单个冲刷监测装置的反射波记录成像结果进行曲线拟合，推测冲刷坑完整的二维形态：

采用最小二乘法多项式进行曲线拟合，从成像结果选取多个成像点的坐标p_i(x_i,y_i)，用近似曲线y＝φ(x)来拟合点坐标所满足的函数关系；设近似曲线为：

式中：k为曲线拟合的阶数，k＝2或3；

近似曲线在点p_i处的偏差δ_i＝φ(x_i)-y_i，近似曲线的参数a_i按偏差的平方和最小的原则求取:

将冲刷坑8个方向上完整的二维形态进行空间插值，得出冲刷坑的三维形态。