CN215575663U - 一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统，包括发射主机，还包括与所述发射主机的输出端相连接的换能单元以及用于接收回波信号的接收单元，所述换能单元包括至少两个同轴设置的换能器，通过在高压下同时向水底发射两个频率相近的高频声波信号(f1，f2)作为主频，当换能器发射声波作用于水体时，差频f1‑f2的频率很低，具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量，可以将浅水区域埋藏电缆有效的探测出来，同时加入高精度惯导姿态系统,根据当地海域实际情况和作业要求设定最佳的采集参数，可获取高分辨率电缆埋深图像。

Description

一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统

技术领域

本实用新型涉及海底埋藏电缆探测系统技术领域，具体为一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统。

背景技术

随着海洋油气资源开发规模的不断扩大和海上风电等海上新能源项目的不断建设，海底电缆凭其抗干扰能力强、大长度、机械性能好等优点越来越多的应用于海上电力传输、海洋石油开发等领域，成为海洋经济发展的重要组成部分。海底电缆在敷设及运营的过程中由于受到自然冲刷、腐蚀、海底地质灾害及人为因素破坏等影响，常出现不同程度的位移、损伤、断裂等事故，为了保证其安全运营，需要对海底电缆进行路由调查，探明海底电缆的准确位置及埋深情况。

目前，对海底电缆进行路由探测的主流技术很多，有侧扫声呐、多波束测深、浅地层剖面仪、海洋磁力仪、电缆探测仪、基于ROV的海底电缆追踪系统(TSS)等，但这些手段很难将浅水区域埋藏电缆有效的探测出来，因此需要一种高穿透力、高精度和高分辨率的探测系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统，可详细探测出海底表层物体的细微变化，解决浅水区域海底埋藏电缆的探测难题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统，包括发射主机，用于向水底发射两个频率相近的高频声波信号作为主频，还包括与所述发射主机的输出端相连接的换能单元以及用于接收回波信号的接收单元，所述换能单元包括至少两个同轴设置的换能器，当换能器发射声波作用于水体时，在换能器的发射方向会产生一系二次频率，频率很低的差频波具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量。

优选的，所述发射主机包括电脑单元，接收单元通过将数据采集和处理并实时处理声学回波并生成地层剖面图像显示在电脑单元上。

优选的，两个同轴设置的所述换能器的发射频率相同，由非线性作用产生的差频信号不仅具有良好的指向性，并且由于其频率较低，还具有低频信号的穿透性能。

优选的，所述换能器的发射频率均为100Khz，由于100Khz的换能器有一定的带宽，因此利用两者之差可以获得多个低频，大的频率带宽会有更好的分辨率,高频(100Khz)测深功能更好，在测量浅地层数据信息的同时还可获得精度很高的水深数据。

优选的，所述换能器的孔径角为1.5°-2.0°，器孔径角越窄，声源投射到海底的脚印越小，高分辨率回波图需要小脚印和窄波束，小的孔径角波束指向性强，窄波束没有旁瓣，可大大降低海底混响和环境噪声干扰对探测结果的影响，因而在勘测近底层及海底表层物体的检测时产生的杂波干扰信号较少，能够反映出细小的沉积物界面声阻抗的变化，受浑浊水域影响较小。

优选的，所述换能单元还包括固定安装在所述换能器正上方的GPS天线，测量结果与定位信息直接对应，没有任何误差，避免了拖鱼拖在船后面的水下定位不准的难题。

优选的，两个所述换能器的脉冲长度均为0.07-2ms，在浅水中，较短的声脉冲有利于提高分辨率。

优选的，所述接收单元包括识别模块和过滤模块，且所述识别模块的输出端与所述过滤模块的输入端电连接，在分析海底地质前，首先需要采用所述识别模块用于识别干扰波，去除地质假象，所述过滤模块用于过滤掉干扰波。

优选的，所述换能单元还包括与换能器和GPS天线均电连接的高精度惯导姿态系统，所述高精度惯导姿态系统用于向所述换能器发送最优采集参数，所述最优采集参数包括采集角度，选取合理参数的情况下，可获取高分辨电缆埋深图像。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过利用参量阵技术的非线性特性及在精度、分辨率、穿透能力上的优势，能在低频形成较大的带宽，产生的差频波具有很强的穿透性和良好的指向性，波束角很小，几乎没有旁瓣，有很高的空间分辨率，可详细探测出海底表层物体的细微变化，受浑浊水域影响较小。

本实用新型通过应用参量阵中地层剖面系统结合高精度惯导姿态系统，根据当地海域实际情况和作业要求设定最佳的采集参数，可获取高分辨率电缆埋深图像。

附图说明

图1为本实用新型一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统的连接框图；

图2为本实用新型一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统的探测示意图；

图3为本实用新型一种基于参量阵的海底埋藏电缆探测系统参量阵声呐波束方向示意图。

图中：1、电缆；2、发射主机；201、电脑单元；3、换能单元；301、换能器；302、GPS天线；303、高精度惯导姿态系统；4、接收单元；401、过滤模块；402、识别模块；5、旁瓣；6、孔径角。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面对本实用新型的实施例作出进一步的详细描述：

如图1和图2所示，包括发射主机2，还包括与所述发射主机2的输出端相连接的换能单元3以及用于接收回波信号的接收单元4，所述换能单元3包括至少两个同轴设置的换能器301，所述换能单元3还包括固定安装在所述换能器301正上方的GPS天线302，优点在于测量结果与定位信息直接对应，没有任何误差，避免了拖鱼拖在船后面的水下定位不准的难题，所述接收单元4包括识别模块402和过滤模块401，且所述识别模块402的输出端与所述过滤模块401的输入端电连接，所述识别模块402用于识别干扰波，有利于去除地质假象，然后初步分析各层序的空间形态及层序间的接触关系，使地层反射截面在进行划分时，将波反射连续、频率、结构基本相似的地层划分为同一层组，所述过滤模块401用于过滤掉干扰波，所述换能单元3还包括与换能器301和GPS天线302均电连接的高精度惯导姿态系统303，所述高精度惯导姿态系统303用于根据当地海域实际情况和作业要求设定最佳的采集参数，接收单元4通过将数据采集和处理并实时处理声学回波并生成地层剖面图像显示在电脑单元201上。

具体的，发射主机2在高压下同时向水底发射两个频率相近的高频声波信号(f1，f2)作为主频，声波在水中传播时由于水的非线性效应而形成差频波，改变两个主频频率就可以控制差频波的频率，其中所使用的换能器301尺寸为0.52m×0.74m×0.50m，空气中重量为90Kg，具有结构紧凑、轻巧便携、安装方便的特点。当换能器301发射声波作用于水体时，在换能器301的发射方向会产生一系二次频率，如f1、f2、(f1+f2)、(f1-f2)、2f1、2f2等的声波信号，因f1、f2的频率非常接近，所以差频(f1-f2)的频率很低，具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量。参量阵系统采用2个100Khz的频率换能器301作为主频声呐，由于100Khz的换能器301有一定的带宽，因此利用两者之差可以获得多个低频，并且具有高频(100KHz)测深功能，在测量浅地层数据信息的同时还可获得精度很高的水深数据，测深精度为0.02m±0.02％。

优选的，如图3所示，所述换能器301的孔径角6为1.5°-2.0°，两个所述换能器301的脉冲长度均为0.07-2ms。浅地层剖面仪的分辨率包括水平分辨率和垂直分辨率，回波的水平分辨率不会优于其脚印大小，即声源投射到海底的大小，脚印对分辨率有影响，可以从换能器301孔径角6(或波束宽度)θ和水深H计算脚印直径D＝2Htan(θ)，由此可见，声学波束越窄，脚印越小，高分辨率回波图需要小脚印和窄波束。此外，回波图的垂直分辨率取决于有效脉宽，可用公式△r＝c*Teff/2(Teff＝1/B)表示，其中△r表示垂直分辨率，c表示声速，B表示带宽，由此可见，声脉冲应该有大的频率带宽才能有好的分辨率，特别是在浅水中，声脉冲必须尽可能短。并且，采用了参量阵SES2000系统，相对于传统的线性浅地层剖面仪，可以用窄波束小换能器301生成低频声脉冲，低频段带宽高，波束角窄(仅±1.8°)，而且差频的远场指向性几乎和主频的一样，因此它们在海底的脚印大小几乎相同，可极大的提高探测分辨率。此外，其波束指向性强，窄波束没有旁瓣5，可大大降低海底混响和环境噪声干扰对探测结果的影响，因而在勘测近底层及海底表层物体的检测时产生的杂波干扰信号较少，能够反映出细小的沉积物界面声阻抗的变化，受浑浊水域影响较小，基于参量阵理论生产的SES2000系统其分辨率可达5cm。由于地层中的声波衰减强烈依赖于其频率，大多数沉积物的衰减因子α随使用频率线性增加，在频率0.5～100kHz范围内可近似为α＝0.05(f/1000)1.4dB/km，因此采用常规超声进行水下探测时，频率较高，吸收系数较大，衰减较快，影响其海底探测的性能，尤其对于海底地层掩埋物体的探测，其衰减系数更大，而参量阵技术通过发射共轴的高频声波，由非线性作用产生的差频信号不仅具有良好的指向性，由于其频率较低，还具有低频信号的穿透性能，基于参量阵理论生产的参量阵SES2000系统其发射功率高，地层穿透能力强，工作水深可达2000米，海底穿透深度最大可达70m。

工作原理：

使用时，发射主机2在高压下同时向水底发射两个频率相近的高频声波信号(f1，f2)作为主频，声波在水中传播时由于水的非线性效应而形成差频波，当换能器301发射声波作用于水体时，差频f1-f2的频率很低，具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量，安装在所述换能器301正上方的GPS天线302保证了测量结果与定位信息直接对应，没有任何误差，避免了拖鱼拖在船后面的水下定位不准的难题，与换能器301和GPS天线302均电连接的高精度惯导姿态系统303用于根据当地海域实际情况和作业要求设定最佳的采集参数，然后识别模块402识别干扰波，去除地质假象，初步分析各层序的空间形态及层序间的接触关系，使地层反射截面在进行划分时，将波反射连续、频率、结构基本相似的地层划分为同一层组，随后过滤模块401过滤掉干扰波，将数据采集和处理并实时处理声学回波并生成地层剖面图像显示在电脑单元201上。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，包括发射主机(2)，其特征在于：还包括与所述发射主机(2)的输出端相连接的换能单元(3)以及用于接收回波信号的接收单元(4)，所述换能单元(3)包括至少两个同轴设置的换能器(301)。

2.根据权利要求1所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：两个同轴设置的所述换能器(301)的发射频率相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：所述换能器(301)的发射频率均为100Khz。

4.根据权利要求1所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：所述换能器(301)的孔径角(6)为1.5°-2.0°。

5.根据权利要求1-4所中任一项权利要求所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：所述换能单元(3)还包括固定安装在所述换能器(301)正上方的GPS天线(302)。

6.根据权利要求5所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：两个所述换能器(301)的脉冲长度均为0.07-2ms。

7.根据权利要求6所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：所述接收单元(4)包括识别模块(402)和过滤模块(401)，且所述识别模块(402)的输出端与所述过滤模块(401)的输入端电连接，所述识别模块(402)用于识别干扰波，所述过滤模块(401)用于过滤掉干扰波。

8.根据权利要求7所述的一种基于参量阵的海底埋藏电缆(1)探测系统，其特征在于：所述换能单元(3)还包括与换能器(301)和GPS天线(302)均电连接的高精度惯导姿态系统(303)，所述高精度惯导姿态系统(303)用于向所述换能器(301)发送最优采集参数，所述最优采集参数包括采集角度。

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