基于超短基线定位的桩基冲刷坑水下探测设备及方法与流程

1.本发明涉及海洋水下探测技术，尤其是一种基于超短基线定位的桩基冲刷坑水下探测设备及方法，属于海洋工程减灾防灾领域。


背景技术：

2.随着经济的发展，人类对海洋资源、空间的依赖大幅提高，开发海洋资源成为国家发展的必然选择，海上风电、跨海大桥等海洋结构建筑物的建设日益重要。在浪流的作用下，海洋结构建筑物基础周围的土体遭受冲蚀，不断流失，形成冲刷坑。基础的有效埋深减小，承载能力下降，危害海洋工程稳定性，给海洋工程带来不容忽视的安全问题。为了保证海洋工程基础结构的安全，需要掌握基础周围冲刷坑的发展情况。冲刷坑形态能反映冲刷坑深度、冲刷坑角度等，提出一种准确、高效的冲刷坑探测技术极具重要的现实意义。
3.目前，对于桩基冲刷坑的观测技术手段主要有水下超声探测、声呐探测、水下摄像探测、人工潜水探测、模态监测等。传统传感器监测设备在浪流的作用下易丢失和损坏；声呐探测对数据处理人员要求高；水下摄像探测对水质清晰度要求较高，人工潜水的风险和成本较高；模态监测的误差较大、效率较低。此外，当前观测手段主要针对冲刷坑深度，对冲刷坑三维形态的观测手段较少，对冲刷灾害的预警与治理的研究造成严重的影响。因此，需要研究高效、适应性强、精确度高的基础冲刷坑三维形态探测技术。
4.申请号为201810048615.x的中国专利申请公布了一种海洋石油平台桩基冲刷坑形态测量装置及使用方法。该方法主要原理为，随着冲刷坑逐渐增大，电阻杆在配重件的带动下向下移动，电极片在电阻杆上的位置发生变化，测量器所测电阻值发生改变，该电阻值可以换算成冲刷坑的深度值。该方法结构简单，但是误差较大，且扰动了桩周土体，在波流冲刷作用下，该装置容易发生失效。
5.申请号为201410100152.9的中国专利申请公布了一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法。该方法利用步进电机转动实现超声探头对冲刷坑的三维扫描，根据步进电机转动角度和超声探头与底床的距离可以得到冲刷坑三维位置坐标。该方法可以实现实时监测，但是海洋环境中风浪环境恶劣，存在较多噪音的影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为克服上述现有海洋结构建筑物基础冲刷坑三维形态效率低、适应性差、精确度低的问题，提供了一种基于超短基线定位的桩基冲刷坑水下探测设备及方法。
7.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于超短基线定位的桩基冲刷坑水下探测设备，包括水下履带行进器、超短基线定位系统、数据采集处理系统和控制系统；数据采集处理系统和控制系统安装于浮于水面上的母船上；所述控制系统分别与水下履带行进器和数据采集处理系统连接，用于根据数据采
集系统采集的光学图像、水下履带行进器三维坐标，操控水下履带行进器行走；所述水下履带行进器在桩基周围冲刷坑壁沿螺旋线状行走，用其行走路线表现冲刷坑三维形态；所述超短基线定位系统包括安装在桩基水下部分的接收换能器基阵和安装在水下履带行进器上的应答器，接收换能器基阵与数据采集处理系统连接，超短基线定位系统用于实时定位水下履带行进器的坐标；所述数据采集处理系统包括安装在水下履带行进器上的传感器和水下摄像系统，传感器和水下摄像系统均通过电缆与母船上的数据处理系统连接；数据采集处理系统用于实时接收水下光学图像；实时存储接收换能器基阵接收的信号，将接收的信号转化为坐标位置信息，并进行修正；最终输出履带行进器的位置坐标，并绘制履带行进器行走三维路线图和三维冲刷坑形态图。
8.所述水下履带行进器上安装有电缆、传感器、应答器、水下摄像系统、前臂滚筒装置、抓手、备用电源、重物、推进系统和履带装置；所述电缆为水下履带行进器提供电力并实时传输控制命令和水下图像；所述传感器，包括深度传感器，辅助超短基线定位系统，可以根据实际情况适当增加传感器种类和数量；所述应答器，用于接收所述换能器基阵发出的询问信号，并发射应答信号给接收换能器基阵，完成水下履带行进器定位工作；所述水下摄像系统位于水下履带行进器的前端，包括水下摄像机、照明装置，水下摄像机实时监视水下履带行进器行走情况，所录图像实时呈现在数据采集处理系统的监视器屏幕，操作人员可参考图像操控水下履带行进器；所述前臂滚筒装置安装于水下履带行进器的前端，用来辅助水下履带行进器爬坡、下坡，前臂滚筒底部低于两侧履带装置，下坡时提供一定支撑，前臂滚筒与水下履带行进器主体之间用弹簧连接，爬坡时，弹簧收缩，前臂滚筒抬起，弹簧收缩程度随爬坡角度改变，以适应不同的爬坡要求；所述抓手，用于连接电缆和水下履带行进器框架；所述备用电源用于电缆意外损坏时继续给水下履带行进器提供能源动力；所述重物用于降低水下履带行进器重心，避免水下履带行进器被桩基周围水流冲走或掀翻；所述推进系统，用于协助推动水下履带行进器的运动；所述履带装置位于水下履带行进器两侧，与土体相互作用，为水下履带行进装置提供牵引力，可使水下履带行进器在复杂海床表面稳定行进。
9.所述水下履带行进器的尺寸小于1/4桩基直径，避免水下履带行进器过大导致螺旋行走路线过短或水下履带行进器过小导致行走路线过长。
10.所述接收换能器基阵设置在桩基水下部分，以便声信号传播。根据桩基直径和长度，环绕桩基均匀布置n个收发合置换能器，设置m层收发合置换能器，m、n均为大于1的整数，相邻两层之间的距离为d=πd/n，组成环形m
×
n接收换能器基阵，可理解为m
×
n矩阵，d为桩基直径。相邻换能器可共享，因此每相邻两层换能器可组成n个
“┓”
型垂直三元基阵，相邻三元基阵可共享换能器。
“┓”
型垂直三元基阵包括3个收发合置换能器，其中一个位于基
阵原点，可以发射信号和接受信号；另外两个收发合置换能器分别位于两个相互垂直的基线上，仅起到接收信号的作用，称为接收换能器；同一方向的换能器间距为d，三个换能器构成平行于z轴的平面等腰直角三角形。
11.设定第一层换能器z坐标为0，z轴竖直向下，根据右手定则建立整体坐标系xyz，桩基所在截面圆心为整体坐标系原点，则第j个换能器坐标为（x
1j
，y
1j
，0），j=1～n顺时针以[1，j]标记换能器，其中第1个换能器坐标为（x
1j
，0，0），可标识为[1,1]或[1,n 1]；第i层第j个换能器坐标为（x
ij
，y
ij
，(i
‑
1)πd/n），i=1～m，j=1～n，可标记为[i,j]。其中各层对应换能器x、y坐标相等，即x
1j
=x
2j
=
……
=x
ij
，y
1j
=y
2j
=
……
=y
ij
，i=1～m，j=1～n。
[0012]
收发合置换能器主动发射询问信号，水下履带行进器上的应答器接收到询问信号并进行回复应答信号，接收换能器基阵接收到应答信号并将该信号传递给数据采集处理系统，以此定位行进过程中水下履带行进器的实时坐标；实时坐标定位计算原理为，以[i,j]，i=1～m，j=1～n为坐标原点，[i,j]与[i,j 1]的连线为x
´
ij
轴，[i,j]与[i 1,j]的连线为z
´
ij
轴，与整体坐标系z轴方向相同，根据右手定则建立局部坐标系x
´
ij
y
´
ij
z
´
ij
，i=1～m
‑
1，j=n。j=1，标记为[i,1]，i=1～m
‑
1的m
‑
1个换能器（基阵原点）同时发射信号，通过信号往返时间t计算出应答器与接收换能器基阵原点的距离为r
i1
，i=1～m
‑
1,通过接收换能器（非基阵原点）接收信号的相位差计算得出基阵原点接收的声线与两个相互垂直的基线的夹角：θ
1i1
、θ
2i1
，i=1～m
‑
1，则根据以上数据可求出水下履带行近器的坐标。j=2，标记为[i,2]，i=1～m
‑
1的换能器发射信号，并进行以上操作；直到j=n 1时令j=1继续进行以上操作。
[0013]
水下履带行进器相对于基阵原点[i,j],i=1～m
‑
1，j=1～n的坐标为：x
´
ij
=r
ij
cosθ
1ij
y
´
ij
=r
ij
z
´
ij
=r
ij
cosθ
2ij
。
[0014]
通过一般坐标变换得，水下履带行近器相对于整体坐标系原点的坐标为： x=x
´
ij
，y=y
´
ij
，z=z
´
ij x
ij
=x
´
ij
cosα
‑
y
´
ij
sinα x
ij
=r
ij
cosα
‑
r
ij
cosθ
1ij
sinα x
ij
y
ij
=x
´
ij
sinα
‑
y
´
ij
cosα y
ij
=r
ij
sinα
‑
r
ij
cosθ
1ij
cosα y
ij
z
ij
=z
´
ij
=r
ij
cosθ
2ij
其中，α为局部坐标系相对整体坐标系旋转的角度，通过n和基阵原点的位置确定，计算简单，不在赘述。
[0015]
一种基于超短基线定位技术的桩基冲刷坑形态水下探测方法，其步骤为：
（1）在桩基上安装接收换能器基阵，在水下履带行进器上安装应答器，在数据采集处理系统中设置参数，检查水下履带行进器各项功能是否正常运行，进行各项校准和调试工作；（2）通过起吊装置将水下履带行进器缓缓下放至桩基周围海底，水下履带行进器的摄像系统将海底情况以图像的方式传递至数据采集处理系统，控制系统根据图像情况操控水下履带行进器行进至冲刷坑边缘；（3）控制系统操控水下履带行进器以一定速度、行进方向沿冲刷坑壁向下行进，行进路线为螺旋线，直至到达冲刷坑底部；然后以一定速度、行进方向向上行进，行进路线为螺旋线，直至到达冲刷坑顶部；水下履带行进器行进方向与水平面的夹角决定行进螺旋线的疏密，水下摄像机实时监控冲刷坑是否规则，对于规则的冲刷坑壁，控制系统调大行进方向与水平面的夹角，行进螺旋线稀疏，对于复杂的冲刷坑，控制系统调小行进方向与水平面的夹角，行进螺旋线密集。
[0016]
（4）在操作（3）的同时，收发合置换能器发射询问信号，水下履带行进器接收到询问信号并发出应答信号，接收换能器接收应答信号，并将该信号传递给数据采集处理系统；（5）水下履带行进器重复行进步骤（3）、（4）两到三次，获得更加充足的行进数据以减小误差；（6）结束作业后可操控水下履带行进器行进至下一个探测点或起吊上岸；（7）数据采集处理系统分析收到的信号，求得水下履带行进器实时坐标数据，并通过matlab软件输出水下履带行进器行进螺旋线；（8）将各条螺旋线相互补充，减小误差，获得精确、详细的冲刷坑三维形态图，分析最大冲刷深度和最大冲刷半径。
[0017]
本发明的有益效果是：超短基线定位技术中的超短基线定位系统目前较为成熟，已得到一定的研究和应用，设备安装和操作简单，适用于水下定位；因此本发明依托于超短基线定位技术，根据水下履带行进器在冲刷坑壁的行进路线绘制冲刷坑三维形态图，实现对冲刷坑的探测，本方法操作简单，观测效率高，精准可靠、设备拆卸方便，减少设备的丢失和损坏。本发明的效果具体表现在以下方面：1.提供了一种基于水下履带行进器的桩基冲刷坑三维形态探测方法，补充了冲刷坑形态观测手段，为研究冲刷发展动态过程提供了有效方法；2.水下履带行进器作业完成后可离开作业环境，解决了冲刷监测固定设备在浪流的作用下容易损坏、丢失的问题；结束作业后也可自行行进至下一个探测点，减少起吊次数，在密集的海上风电场等地可发挥更大的作用，有利于节约成本；3.提供了一种基于超短基线定位技术的桩基冲刷坑形态水下探测方法，水下履带行进器可操作性好，避免了人工潜水监测的风险，有利于节约人工成本。
[0018]
4.提供了一种水下履带行进器探测冲刷坑形态的行进路线，螺旋线式前进快捷高效，可根据冲刷坑规则程度调整水下履带行进器行进方向，从而调整行进螺旋线疏密程度，节省操作时间和成本。
[0019]
5.提供了一种便于爬坡、下坡的水下履带行进器，其前臂滚筒下坡时提供一定支撑，爬坡时，弹簧收缩，前臂履带抬起，可以适应不同的爬坡要求。
[0020]
6.提供了一种超短基线定位的接收换能器基阵分布及计算方式，有利于提高定位精度，解决了桩基无法布置平面正交基阵的问题。
附图说明
[0021]
图1为本发明整体结构示意图；图2为水下履带行进器爬坡示意图；图3为水下履带行进器下坡示意图；图4为接收换能器基阵水平布置图；图5为超短基线定位原理示意图；图6为螺旋线式行进路线俯视图；图7为螺旋线式行进路线侧视图；其中，1.水下履带行进器起吊装置，2.母船，3.数据采集处理系统，4.控制系统，5.电缆，6.水下履带行进器，7.桩基，8.超短基线定位系统，9.接收换能器基阵，10.海底，11.传感器，12.超短基线应答器，13.水下摄像机，14.照明装置，15.前臂，16.弹簧，17.滚筒，18.抓手，19.备用电源，20.重物，21.推进系统，22.履带装置，23.收发合置换能器，24.接收换能器，25.声线，26.水下履带行进器行进螺旋线。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0023]
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。
[0024]
如图1所示，一种基于超短基线定位技术的桩基冲刷坑形态水下探测设备，包括水下履带行进器6、控制系统4、超短基线定位系统8、数据采集处理系统3。数据采集处理系统3和控制系统4安装于浮于水面上的母船2上；水下履带行进器6在桩基7周围海底10的冲刷坑壁上沿螺旋线行走，用其行走路线表现冲刷坑形态。数据采集处理系统3用于呈现水下光学图像，采集并处理接收换能器基阵9传递的信号，并将信号转化为水下履带行进器6的三维位置坐标，输出水下履带行进器行走螺旋线26，进一步得到冲刷坑形态图，如图6、7所示。
[0025]
如图2所示，水下履带行进器6设有电缆5、传感器11、超短基线应答器12、水下摄像机13、照明装置14、前臂15、弹簧16、滚筒17、抓手18、备用电源19、重物20、推进系统21、履带装置22等。
[0026]
电缆5用于连接母船2的数据采集系统3、控制系统4和水下履带行进器6，为水下履带行进器6提供电力并实时传输控制命令和水下光学图像。传感器11，包括深度传感器等，可根据实际工程需要添加传感器种类和数量；超短基线应答器12用于接收换能器基阵9发出的询问信号，共同完成超短基线定位工作；水下摄像机13和照明装置14用于实时监视水
下履带行进器6行走情况，所录图像实时呈现在数据采集处理系统3的监视器屏幕上，操作人员通过控制系统4操控水下履带行进器6；前臂15、弹簧16、滚筒17构成前臂滚筒装置，辅助水下履带行进器6爬坡和下坡；抓手18用于固定电缆5；备用电源19用于应对电缆意外损坏情况；重物20用于降低水下履带行进器6重心，避免被桩基7周围的水流冲走或掀翻；推进系统21用于协助水下履带行进器6运动；履带装置22位于水下履带行进器6两侧，履带装置22上的履齿与海底10相互作用，提供牵引力，保证稳定行进。
[0027]
如图2所示，爬坡时，弹簧16收缩，前臂15抬起，滚筒17比水下履带行进器主体先翻越障碍；如图3所示，下坡过程中，弹簧16放松，前臂15下垂，滚筒17下沉，为水下履带行进器提供支撑。弹簧16收放程度随爬坡、下坡角度改变，以适应不同的爬坡、下坡要求。
[0028]
水下履带行进器6的大小根据桩基7直径和预估冲刷坑大小决定，应小于1/4半径，不宜过大或过小，以免行进路线过短或过长。
[0029]
如图2、图3所示，控制系统4，分别与水下履带行进器6、超短基线定位系统8、数据采集处理系统3连接，根据数据采集处理系统3采集的光学图像、水下履带行进器6三维坐标，操控水下履带行进器6行走。
[0030]
如图1、图4、图5所示，超短基线定位系统8用于实时定位水下履带行进器6的坐标，并将坐标数据传递给数据采集处理系统3。
[0031]
超短基线定位系统8包括接收换能器基阵9和超短基线应答器12。接收换能器基阵9设置在桩基7水下部分，以便声信号传播。如图4所示，根据桩基7直径和长度，每层环绕桩基7等距设置12个收发合置换能器23或接收换能器24，设置3层，相邻两层距离为d=πd/12，组成3
×
12个圆柱形接收换能器基阵9，可理解为3
×
12矩阵。相邻收发合置换能器23或接收换能器24可共享，且收发合置换能器23或接收换能器24可根据需要成为基阵原点，发射和接收信号，或仅作为接收换能器24，接收信号。因此每相邻两层收发合置换能器23或接收换能器24可组成12个
“┓”
型垂直三元基阵。如图4所示，
“┓”
型垂直三元基阵包括3个收发合置换能器23或接收换能器24，其中一个收发合置换能器23位于基阵原点，另外两个仅作为接收换能器24分别位于两个相互垂直的基线上；同一方向收发合置换能器23或接收换能器24距离为d=πd/12，三个收发合置换能器23或接收换能器24构成平行于z轴的平面等腰直角三角形。
[0032] 如图4所示，设定第一层收发合置换能器23或接收换能器24的z坐标为0，建立整体坐标系xyz，则第1个收发合置换能器23或接收换能器24坐标为（x
1j
，0，0），可标识为[1,1]或[1,13]；第j个收发合置换能器23或接收换能器24换能器坐标为（x
1j
，y
1j
，0），j=1～12， 并以顺时针标记[1,j]换能器；第i层第j个收发合置换能器23或接收换能器24坐标为（x
ij
，y
ij
，(i
‑
1)πd/n），i=1～m，j=1～n，可标记为[i,j]。其中对应列的收发合置换能器23或接收换能器24的x、y坐标相等，即x
1j
= x
2j
= x
3j
，y
1j
= y
2j
=
……
= y
3j
，j=1～12。j=1，并以[i,j]，i=1～m
‑
1，j=n为坐标原点，[i,j]与[i,j 1]的连线为x
´
轴，[i,j]与[i 1,j]的连线为z
´
轴，与整体坐标系轴方向相同，根据右手定则建立局部坐标系x
´
ij y
´
ij z
´
ij
，i=1～2，j=12。
[0033]
如图5所示，收发合置换能器23主动发射询问信号，水下履带行进器6上的超短基线应答器12接收到询问信号并进行回复应答信号，接收换能器基阵9接收到应答信号并将该信号传递给数据采集处理系统3，以此定位行进过程中水下履带行进器6的实时坐标；实时坐标定位计算原理为，如图5所示，j=1，标记为[1,1]、[2,1] 的2个基阵原点
的收发合置换能器23同时发射信号，通过信号往返时间t计算出超短基线应答器12与接收换能器基阵原点的距离为r
11
、r
21
，通过非基阵原点的接收换能器24接收信号的相位差计算得出基阵原点的收发合置换能器23接收的声线25与两个相互垂直的基线的夹角θ
111
、θ
211
，θ
121
、θ
221
，则根据以上数据可求出水下履带行近器的坐标。j=2，标记为[1,2]，[2,2]的收发合置换能器23发射信号，并进行以上操作；直到j=13时令j=1继续进行以上操作。
[0034]
水下履带行进器6相对于基阵原点（标记为[i,j],i=1～2，j=1～12）的坐标为：x
´
ij
=r
ij
cosθ
1ij
y
´
ij
=r
ij
z
´
ij
=r
ij
cosθ
2ij
。
[0035]
通过一般坐标变换得，水下履带行近器6相对于整体坐标系原点的坐标为： x=x
´
ij
，y=y
´
ij
，z=z
´
ij
x
ij
=x
´
ij
cosα
‑
y
´
ij
sinα x
ij
=r
ij
cosα
‑
r
ij
cosθ
1ij
sinα x
ij
y
ij
=x
´
ij
sinα
‑
y
´
ij
cosα y
ij
=r
ij
sinα
‑
r
ij
cosθ
1ij
cosα y
ij
z
ij
=z
´
ij
=r
ij
cosθ
2ij
其中，α为局部坐标系相对整体坐标系旋转的角度，通过n=12和基阵原点的位置确定，计算结果如下，其中
“‑”
表示顺时针旋转，无
“‑”
表示逆时针旋转：一种基于超短基线定位的桩基冲刷坑水下探测方法，其步骤为：（1）在桩基7水下部分安装接收换能器基阵9，水下履带行进器6上安装超短基线应答器12，检查水下履带行进器6各项功能是否正常运行，设置数据采集系统3中的参数，进行各项检查、校准和调试工作；（2）通过水下履带行进器起吊装置1将水下履带行进器6缓缓下放至桩基周围海底10，水下履带行进器6的水下摄像机13将海底情况传递至数据采集处理系统3的监视器屏幕，控制系统4根据图像操控水下履带行进器6行进至冲刷坑边缘；（3）控制系统4操控水下履带行进器6以一定速度、行进方向沿冲刷坑壁向下行进，行进路线为螺旋线，直至水下履带行进器6到达坑底；然后以一定速度、行进方向向上行进，行进路线为螺旋线，直至到达冲刷坑顶部；
水下履带行进器6行进方向与水平面的夹角决定水下履带行进器行进螺旋线26的疏密，水下摄像机13实时监控海底10的冲刷坑是否规则，对于规则的冲刷坑壁，控制系统4调大水下履带行进器6行进方向与水平面的夹角，水下履带行进器行进螺旋线26变稀疏，对于复杂的冲刷坑，控制系统4调小水下履带行进器6行进方向与水平面的夹角，水下履带行进器行进螺旋线26变密集。
[0036]
（4）在操作步骤（3）的同时，收发合置换能器23发射询问信号，水下履带行进器6上的超短基线应答器12接收到询问信号并发出应答信号，接收换能器24接收应答信号，并将相关信号数据传递给数据采集处理系统3；（5）水下履带行进器6重复步骤（3）、（4）两到三次，获得更加充足的行进数据以减小误差；（6）结束作业后，水下履带行进器6行进至下一个监测点或起吊上岸；（7）数据采集处理系统3分析接收到的数据，求得水下履带行进器6实时坐标数据，并通过matlab软件输出水下履带行进器行进螺旋线26；（8）将各条水下履带行进器行进螺旋线26相互补充，减少误差，获得精确、详细的冲刷坑三维形态图，如图6、7所示。
[0037]
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做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。