CN102954788A - 海洋平台海底地基地形地貌测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其主要包括水下分机、水上分机及连接二者的电缆；其由水下分机向水中发射高频声波信号，声波遇到平台海底地基发生反射，反射信号再由水下分机接收并进行滤波、放大等调理操作后通过电缆上传至水上分机进行处理后得到255个深度测量值；其根据多波束声学探测基本原理设计而成，可利用多通道发射换能器阵实现探测超声波的宽覆盖，多通道接收换能器阵则保证对海底散射回波信号的高分辨力接收，从而有效地实现对海洋平台海底地基的高精度、高效率测量。
Description
技术领域
本发明涉及海洋遥感探测和海洋石油平台安全领域，尤其涉及一种海洋平台海底地基地形地貌测量仪。
背景技术
目前，全世界有6500 多座油气生产设施在53 个国家的海域作业。其中，美国墨西哥湾有4000 多座，约950 座在亚洲，700 余座在中东，600 余座在北海和大西洋东北，我国仅中海油就有近200 座固定平台，这些海上设施为世界创造了巨大的财富。尽管固定平台的设计寿命一般为20 年，但由于油田生产的需要，绝大部分平台在达到设计寿命后依然继续服役。而随着油价的攀升，边际油田的开发具有特殊的意义，这进一步要求现役平台功能的扩充和新建平台依托现役平台的改造。所有这些都要求对目标平台进行健康检测和诊断，需要对平台结构进行系统、充分和具体的检测，综合评价平台继续服役和超期服役的安全性及可能性，更深地挖掘平台的潜能。
由于海洋平台分布范围广泛，平台设计建造年代跨度大，面临不同的恶劣环境条件和严重的地基冲刷、基础软化等影响平台安全的特殊问题，进一步需要对现役平台进行海底地基形位测量。
目前石油行业普遍采用的平台海底地基形位测量的方法主要有两种，一种是利用潜水员进行摸探的方式，另一种是利用单波束超声测深仪。其中，第一种方法由于受到潜水员水下作业时间和活动范围的限制，只能对平台桩基极小的范围进行摸探，同时水下作业又存在较大的安全风险，因此非迫不得已一般也很少采用。利用单波束超声测深仪进行水下平台海底地基形位测量，可以避免潜水员的水下作业风险，但是由于其测量效率低，测量间隔大，很难实现对平台地基形位的精细测量，从而难以准确的判断地基冲刷和基础软化程度以及对平台安全的影响程度。随着，世界油价的不断上涨和平台服役期的不断延长，海洋石油行业迫切需要一种高效率、高精度的海洋平台海底地基形位测量装置，以实现对平台海底地形的三维精细测量，并以此作为一个重要的依据评估平台的安全性和可继续服役时间。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其根据多波束声学探测基本原理设计而成，可利用多通道发射换能器阵实现探测超声波的宽覆盖，多通道接收换能器阵则保证对海底散射回波信号的高分辨力接收，从而有效地实现对海洋平台海底地基的高精度、高效率测量。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，主要包括水下分机113、水上分机114以及连接二者的电缆；其由水下分机113向水中发射高频声波信号，声波遇到平台海底地基发生反射，反射信号再由水下分机113接收并进行滤波、放大等调理操作后通过电缆上传至水上分机114进行处理后得到255个深度测量值。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中水下分机113由多通道信号发射机103、发射换能器阵101、多通道接收换能器阵102和接收前置放大电路104组成；该发射换能器阵101与多通道接收换能器阵102相连；该多通道信号发射机103与发射换能器阵101和主控计算机108相连，在主控计算机108控制下向水中发射高频声信号；该接收换能器阵102与接收前置放大电路104相连，将接收到的海底回波信号进行放大后上传给水上分机114中的信号调理电路105。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中水上分机114由信号调理电路105、信号采集与预处理电路106、信号处理电路107、主控计算机108、海量存储器109、显示器110、绘图仪111以及辅助测量设备112组成；该信号调理电路105、信号采集电路106及信号处理电路107依次与主控计算机108相连，海量存储器109、显示器110、绘图仪111和辅助测量设备112分别与主控计算机108相连；该海量存储器109通过SATA接口与主控计算机108相连；该显示器110通过VGA接口与主控计算机108相连；该绘图仪111通过以太网接口与主控计算机108相连；该辅助测量设备112通过串口与主控计算机108相连。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中多通道信号发射机103的通道数为56通道，其由信号发生器201、功率放大器组202及多通道阻抗匹配器电路203组成并依次连接；该信号发生器201通过水密电缆与主控计算机108相连，多通道阻抗匹配器电路203与发射换能器阵101相连，使输出信号电连接至发射换能器阵101。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中接收前置放大电路104由依次电信号连接的固定增益放大器组301和带通滤波器组302组成；其中固定增益放大器组301的输入与多通道接收换能器阵102相连；带通滤波器组302与水上分机114的信号调理电路105相连；该接收前置放大电路104的通道数为80。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中发射换能器阵101是由等间距多通道换能器阵组成的均匀弧阵，其通道数为56。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中多通道接收换能器阵102是由等间距多通道换能器阵组成的均匀线阵，其通道数为80。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中信号调理电路105采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由依次电信号连接的带通滤波器组401、可变增益放大器组402、带通滤波器403以及固定增益放大器组404组成，其中带通滤波器组401的输入信号为水下分机113带通滤波器组302的输出信号，固定增益放大器组404的输出信号连接至信号采集与预处理电路106。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中信号采集与预处理电路106 采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由逻辑控制器501、1#DSP处理器502、2#DSP处理器503、模数转换器组504和PCI接口控制器505组成；其中，逻辑控制器501、1#DSP处理器502、2#DSP处理器503和模数转换器组504为电信号连接，PCI接口控制器505与1#DSP处理器502、2#DSP处理器503相互间为电信号连接，同时逻辑控制器501还与信号处理系统107的PCI接口控制器601电路相连，模数转换器组504的输入信号为信号调理电路105的输出信号。
前述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中信号处理系统107采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由PCI接口控制器601、3#DSP处理器602、4#DSP处理器603、5#DSP处理器604、6#DSP处理器605、7#DSP处理器606、8#DSP处理器607、逻辑控制器608以及串口扩展模块609组成；该PCI接口控制器601、3#DSP处理器602、4#DSP处理器603、5#DSP处理器604、6#DSP处理器605、7#DSP处理器606、8#DSP处理器607及串口扩展模块609均通过电信号与逻辑控制器608相连。
本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪的有益效果，其是由水下分机向水中发射高频声波信号，声波遇到平台海底地基发生发射，发射信号再由水下分机接收并进行滤波、放大等调理操作后通过电缆上传至水上分机进行处理后得到255个深度测量值。通过测量船搭载形位测量仪围绕平台航行测量，则可形成整个海洋平台海底地基的三维形位图像。可广泛应用于海洋平台海底地基的冲刷、淤积等测量，为平台安全提供可靠的海底地基三维信息。
附图说明：
图1为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪系统组成框图。
图2为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪信号多通道信号发射机框图。
图3为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪接收前置放大电路框图。
图4为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪信号调理电路框图。
图5为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪信号采集与预处理电路框图。
图6为本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪信号处理电路框图。
图中主要标号说明：113水下分机、114水上分机、101发射换能器阵、102多通道接收换能器阵、103多通道信号发射机、104接收前置放大电路、105信号调理电路、106信号采集与预处理电路、107信号处理电路、108主控计算机、109海量存储器、110显示器、111绘图仪、112辅助测量设备、201信号发生器、202功率放大器组、203多通道阻抗匹配器电路、301固定增益放大器组、302带通滤波器组、401带通滤波器组、402可变增益放大器组、403带通滤波器、404固定增益放大器组、501逻辑控制器、502为1#DSP处理器、503为2#DSP处理器、504模数转换器组、505为PCI接口控制器、601为PCI接口控制器、602为3#DSP处理器、603为4#DSP处理器、604为5#DSP处理器、605为6#DSP处理器、606为7#DSP处理器、607为8#DSP处理器、608为逻辑控制器、609为串口扩展模块。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其主要包括水下分机113、水上分机114以及连接二者的电缆；其由水下分机113向水中发射高频声波信号，声波遇到平台海底地基发生反射，反射信号再由水下分机113接收并进行滤波、放大等调理操作后通过电缆上传至水上分机114进行处理后得到255个深度测量值。
如图1至图6所示，本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其中，该水下分机113由多通道信号发射机103、发射换能器阵101、多通道接收换能器阵102和接收前置放大电路104组成；该发射换能器阵101与多通道接收换能器阵102相连；该多通道信号发射机103与发射换能器阵101和主控计算机108相连，在主控计算机108控制下向水中发射高频声信号；该接收换能器阵102与接收前置放大电路104相连，将接收到的海底回波信号进行放大后上传给水上分机114中的信号调理电路105。该水上分机114由信号调理电路105、信号采集与预处理电路106、信号处理电路107、主控计算机108、海量存储器109、显示器110、绘图仪111以及辅助测量设备112组成；该信号调理电路105、信号采集电路106及信号处理电路107依次与主控计算机108相连，海量存储器109、显示器110、绘图仪111和辅助测量设备112分别与主控计算机108相连；该海量存储器109通过SATA接口与主控计算机108相连；该显示器110通过VGA接口与主控计算机108相连；该绘图仪111通过以太网接口与主控计算机108相连；该辅助测量设备112通过串口与主控计算机108相连。
该多通道信号发射机103的通道数为56通道，其由信号发生器201、功率放大器组202及多通道阻抗匹配器电路203组成并依次连接；该信号发生器201通过水密电缆与主控计算机108相连，多通道阻抗匹配器电路203与发射换能器阵101相连，使输出信号电连接至发射换能器阵101，如图2所示。
该接收前置放大电路104由依次电信号连接的固定增益放大器组301和带通滤波器组302组成；其中固定增益放大器组301的输入与多通道接收换能器阵102相连；带通滤波器组302与水上分机114的信号调理电路105相连，如图3所示；该接收前置放大电路104的通道数为80。
该发射换能器阵101是由等间距多通道换能器阵组成的均匀弧阵，其通道数为56。该多通道接收换能器阵102是由等间距多通道换能器阵组成的均匀线阵，其通道数为80。该信号调理电路105采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由依次电信号连接的带通滤波器组401、可变增益放大器组402、带通滤波器403以及固定增益放大器组404组成，其中带通滤波器组401的输入信号为水下分机113带通滤波器组302的输出信号，固定增益放大器组404的输出信号连接至信号采集与预处理电路106，如图4所示。
该信号采集与预处理电路106 采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由逻辑控制器501、1#DSP处理器502、2#DSP处理器503、模数转换器组504和PCI接口控制器505组成；其中，逻辑控制器501、1#DSP处理器502、2#DSP处理器503和模数转换器组504为电信号连接，PCI接口控制器505与1#DSP处理器502、2#DSP处理器503相互间为电信号连接，同时逻辑控制器501还与信号处理系统107的PCI接口控制器601电路相连，模数转换器组504的输入信号为信号调理电路105的输出信号，如图5所示。
该信号处理系统107采用CPCI6U结构安装于主控计算机108中，其由PCI接口控制器601、3#DSP处理器602、4#DSP处理器603、5#DSP处理器604、6#DSP处理器605、7#DSP处理器606、8#DSP处理器607、逻辑控制器608以及串口扩展模块609组成；该PCI接口控制器601、3#DSP处理器602、4#DSP处理器603、5#DSP处理器604、6#DSP处理器605、7#DSP处理器606、8#DSP处理器607及串口扩展模块609均通过电信号与逻辑控制器608相连，如图6所示。
本发明海洋平台海底地基地形地貌测量仪的工作原理和基本工作流程如下：
多通道发射换能器阵101与多通道接收换能器阵102组成T字形配置，接收在上发射在下。换能器阵安装于测量船底部或舷侧，保证发射阵与船行方向一致，接收阵垂直于船行方向。
在主控计算机108的控制下，信号发生器201产生频率为300千赫兹的CW脉冲，通过功率放大器组202放大和多通道阻抗匹配器电路203进行阻抗匹配后，经由多通道发射换能器阵102把电信号转换成声信号发射到水中传送出去，发射出去的声波照射到海底的区域为一个沿船行方向窄、垂直于船行方向宽的条带状。发射声波经由海底反射回到换能器阵，多通道接收换能器阵101把接收到的声信号转换为电信号，经过接收前置放大电路104、信号调理电路105后将调理后的信号送至信号采集与预处理电路106进行波束形成处理，形成255个沿船行方向宽、垂直于船行方向窄的独立接收波束，将接收波束数据送至信号处理系统107进行后续处理得到255个测量值。通过测量船的不断走航最终形成完整的平台海底地基三维测量图像。
实施例：
本发明实施方式中的多通道发射换能器阵101与多通道接收换能器阵102组成T字形配置，接收在上发射在下。换能器阵安装于测量船底部或舷侧，保证发射阵与船行方向一致，接收阵垂直于船行方向，为了保证探测效果，安装时，从减少航行噪声(机械传导噪声和螺旋桨噪声)、减少或避开气泡层等方面考虑，换能器阵尽量选择安装在船舶航行时产生水花最小及船体颠簸、摇摆幅度也最小的地方，一般在离船艏三分之一至五分之二的位置，而且吃水深度不应超过龙骨的深度，换能器阵面与水面平行放置。
多通道发射换能器阵101、多通道接收换能器阵102、多通道信号发射机103和接收前置放大电路104组成水下分机113，除换能器阵外多通道信号发射机103和接收前置放大电路104均位于一个水密的电子舱内。
多通道信号发射机103中的信号发生器201采用ALTERA公司EP2C35F484C8 FPGA芯片实现，产生56通道的频率为300KHz的单频填充脉冲信号，功率放大器组202由一个D类放大器和一个变压器组成，将信号发生器201产生的5V信号放大为峰峰值为400V的信号，多通道阻抗匹配器电路203为RC匹配网络，实现与多通道发射换能器阵101的阻抗匹配。
接收前置放大电路104具有高输入阻抗、低输出阻抗和很增益带宽积特性，同时还具有极低的噪声，其固定增益为40dB，与多通道接收换能器阵13相连，从而无失真地接收和放大海底回波信号。
本发明实施方式中的主控计算机108为一台CPCI结构的便携式一体机，共六个槽位，其中信号调理电路105占两个槽位，信号采集与预处理电路106和信号处理系统107分别占用一个槽位。
信号调理电路105位于水上分机114，由水密电缆与水下分机113中的接收前置放大电路104相连。其中的带通滤波器组401是利用运算放大器构建的有源二阶带通滤波器组，在信号接收频带内起伏较小，通带内外的抑制比达到40dB，可变增益放大器组402一方面对信号进行进一步的放大(放大倍数可调)；另一方面进行系统的混频处理，将高频窄带回波信号调制到低频段方便进一步的采集与处理；带通滤波器组403是高通滤波器组和低通滤波器组的组合，用来滤出回波信号的低频包络；固定增益放大器组404也是一个固定增益达40dB的放大器组，进一步放大信号。
信号采集与预处理电路106中的逻辑控制器501采用ALTERA公司的EP2C35F484C8 FPGA分别与模数转换器组504、1#DSP处理器502和2#DSP处理器503通过IO引脚相连，实现对模数转换器组504控制实现采集功能，并将采集的结果传送给1#DSP处理器502和2#DSP处理器503进行预处理，同时还通过CPCI底板与信号处理系统107相连将预处理结果传送到信号处理系统107。模数转换器组504由20片AD7865组成，每片AD7865有4个采集通道共计80个通道。1#DSP处理器502和2#DSP处理器503采用美国TI公司的TMS320C6713BGDP300浮点DSP处理器完成数据的预处理，两个DSP处理器都通过HPI主机接口与PCI接口控制器505相连，实现主机参数的加载，本实施例中的PCI接口控制器505选用TI公司的PCI2040接口芯片来实现。
信号处理系统107中的逻辑控制器608采用ALTERA公司的EP2C80F896C8，分别与6个DSP处理器、PCI接口控制器601、串口扩展模块609以及信号采集与预处理电路106相连。6个DSP处理器都采用美国TI公司的TMS320C6713BGDP300 浮点DSP处理器，PCI接口控制器601采用PLX公司的PCI9054芯片实现与主控计算机相连，串口扩展模块609采用2片MAX3232和3片MAX488实现，完成辅助测量设备数据的采集和水下分机控制。
本实施实例中还包括主控计算机108上运行一套监控软件，实现工作参数设置、图形显示、数据存储和设备开关等功能。本实例的基本参数还包括发射声功率(强、中、弱)三档可调，探测脉冲长度(0.15ms、0.25ms、0.5ms、1ms)四档可调，探测周期(0.125s、0.25s、0.5s、1s) 四档可调。
本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
本发明的优点是：利用多波束声学探测的基本原理，每次超声信号的发射和接收都能得到平台海底地基周围255个测量点，因此与单波束测深仪相比可以极大的提高测量效率，同时由于采用了声学遥测的方法，从而避免了潜水员的水下作业，大大提高了海洋平台海底地基形位测量的安全性。由此可见，此设备可以大大提高平台海底地基行为测量效率具有非常广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，主要包括水下分机（113）、水上分机（114）以及连接二者的电缆；其由水下分机（113）向水中发射高频声波信号，声波遇到平台海底地基发生反射，反射信号再由水下分机（113）接收并进行滤波、放大等调理操作后通过电缆上传至水上分机（114）进行处理后得到255个深度测量值。
2.根据权利要求1所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述水下分机（113）由多通道信号发射机（103）、发射换能器阵（101）、多通道接收换能器阵（102）和接收前置放大电路（104）组成；该发射换能器阵（101）与多通道接收换能器阵（102）相连；该多通道信号发射机（103）与发射换能器阵（101）和主控计算机（108）相连，在主控计算机（108）控制下向水中发射高频声信号；该接收换能器阵（102）与接收前置放大电路（104）相连，将接收到的海底回波信号进行放大后上传给水上分机（114）中的信号调理电路（105）。
3.根据权利要求1所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述水上分机（114）由信号调理电路（105）、信号采集与预处理电路（106）、信号处理电路（107）、主控计算机（108）、海量存储器（109）、显示器（110）、绘图仪（111）以及辅助测量设备（112）组成；该信号调理电路（105）、信号采集电路（106）及信号处理电路（107）依次与主控计算机（108）相连，海量存储器（109）、显示器（110）、绘图仪（111）和辅助测量设备（112）分别与主控计算机（108）相连；该海量存储器（109）通过SATA接口与主控计算机（108）相连；该显示器（110）通过VGA接口与主控计算机（108）相连；该绘图仪（111）通过以太网接口与主控计算机（108）相连；该辅助测量设备（112）通过串口与主控计算机（108）相连。
4.根据权利要求1或2所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述多通道信号发射机（103）的通道数为56通道，其由信号发生器（201）、功率放大器组（202）及多通道阻抗匹配器电路（203）组成并依次连接；该信号发生器（201）通过水密电缆与主控计算机（108）相连，多通道阻抗匹配器电路（203）与发射换能器阵（101）相连，使输出信号电连接至发射换能器阵（101）。
5.根据权利要求1或2所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述接收前置放大电路（104）由依次电信号连接的固定增益放大器组(301)和带通滤波器组(302)组成；其中固定增益放大器组（301）的输入与多通道接收换能器阵（102）相连；带通滤波器组(302)与水上分机（114）的信号调理电路（105）相连；该接收前置放大电路（104）的通道数为80。
6.根据权利要求1或2所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述发射换能器阵（101）是由等间距多通道换能器阵组成的均匀弧阵，其通道数为56。
7.根据权利要求1或2所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述多通道接收换能器阵（102）是由等间距多通道换能器阵组成的均匀线阵，其通道数为80。
8.根据权利要求1或3所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述信号调理电路（105）采用CPCI6U结构安装于主控计算机（108）中，其由依次电信号连接的带通滤波器组（401）、可变增益放大器组（402）、带通滤波器（403）以及固定增益放大器组（404）组成，其中带通滤波器组(401)的输入信号为水下分机（113）带通滤波器组（302）的输出信号，固定增益放大器组（404）的输出信号连接至信号采集与预处理电路（106）。
9.根据权利要求1或3所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述信号采集与预处理电路(106) 采用CPCI6U结构安装于主控计算机（108）中，其由逻辑控制器（501）、1#DSP处理器（502）、2#DSP处理器（503）、模数转换器组（504）和PCI接口控制器（505）组成；其中，逻辑控制器（501）、1#DSP处理器（502）、2#DSP处理器（503）和模数转换器组（504）为电信号连接，PCI接口控制器（505）与1#DSP处理器（502）、2#DSP处理器（503）相互间为电信号连接，同时逻辑控制器（501）还与信号处理系统（107）的PCI接口控制器（601）电路相连，模数转换器组（504）的输入信号为信号调理电路(105)的输出信号。
10.根据权利要求9所述的海洋平台海底地基地形地貌测量仪，其特征在于，所述信号处理系统（107）采用CPCI6U结构安装于主控计算机（108）中，其由PCI接口控制器（601）、3#DSP处理器（602）、4#DSP处理器（603）、5#DSP处理器（604）、6#DSP处理器（605）、7#DSP处理器（606）、8#DSP处理器（607）、逻辑控制器（608）以及串口扩展模块（609）组成；该PCI接口控制器（601）、3#DSP处理器（602）、4#DSP处理器（603）、5#DSP处理器（604）、6#DSP处理器（605）、7#DSP处理器（606）、8#DSP处理器（607）及串口扩展模块（609）均通过电信号与逻辑控制器（608）相连。
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