[发明专利]一种用于水下协同作业的脐带缆缆形监测系统及装置

说明书

本发明公开了一种用于水下协同作业的脐带缆缆形监测系统及装置，涉及深海装备技术领域，该系统包括水下定位系统、应变检测系统、信号处理器、网络交换机、控制系统和协同作业操控系统；水下定位系统用于检测每个ROV脐带缆的终端位置信息并上传给控制系统；应变检测系统用于检测每根脐带缆的应变信息，并通过信号处理器和网络交换机上传给控制系统；控制系统基于脐带缆的曲率与应变信息之间的关系计算每根脐带缆的曲率，并根据曲率和终端位置信息计算每根脐带缆的位置形态；还基于每根脐带缆的位置形态分析多根脐带缆的干涉和缠绕情况并发出报警；该系统对脐带缆在水下的位置和形态进行实时监测与模拟显示，降低了水下协同作业时多缆缠绕风险。

技术领域

本发明涉及深海装备技术领域，尤其是一种用于水下协同作业的脐带缆缆形监测系统及装置。

背景技术

在深海探测与开发中，水下大型载人平台或水面母船需要释放、回收和操控多套缆控型无人潜水器(ROV)进行协同作业。其中ROV的脐带缆连接着大型载人平台和ROV，起到电能传输和数据通讯的重要作用。多套ROV协同作业时，根据目标对象和大型载人平台之间的深度差，往往需要同时布放多根数千米长的脐带缆，这些具备一定柔性的脐带缆在ROV航行机动的牵引力、浮力以及海流扰动力等作用下，在水下的位置和形态十分复杂并且发生变化，极易发生缠绕和干涉，不但导致任务失败终止，而且可能造成设备损坏、丢失等严重后果。

目前国际上缺乏有效的方法获取协同作业的多套ROV脐带缆的位置和姿态信息。最简单的方法是仅通过计算ROV释放绞车的运转圈数，计算放出脐带缆的长度数据，难以满足对脐带缆的状态检测需求。一种较为直接的方法是，采用一种缆型监测水下机器人(CN111516831A)，通过机器人搭载观察摄像机和超短基线应答器实现缆型监测及事故状态观察。但是该系统过于复杂，且有一根脐带缆就需要额外配置一套机器人，实际可靠性不高，一旦该机器人在缆上发生卡滞将直接导致ROV回收失败，因此在多套ROV协同作业中实用性不高。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种用于水下协同作业的脐带缆缆形监测系统及装置，本发明的技术方案如下：

一种用于水下协同作业的脐带缆缆形监测系统，包括水下定位系统、应变检测系统以及搭载于水下载人平台上的信号处理器、网络交换机、控制系统和协同作业操控系统；水下定位系统用于检测每个ROV对应的脐带缆的终端位置信息并上传给控制系统；应变检测系统用于检测每个ROV对应的脐带缆的应变信息，并依次通过信号处理器和网络交换机上传给控制系统；信号处理器用于采集应变信息并进行滤波处理；控制系统用于基于构建的脐带缆特性数据库计算每根脐带缆的曲率，并根据每根脐带缆的曲率和终端位置信息计算每根脐带缆的位置和空间形态，其中脐带缆特性数据库包含了脐带缆的曲率与应变信息之间的关系；控制系统还用于基于每根脐带缆的位置和空间形态分析多根脐带缆的干涉和缠绕情况；协同作业操控系统与控制系统进行信息交互，用于控制脐带缆绞车的放缆、收缆和遥控操作。

其进一步的技术方案为，应变检测系统包括搭载于水下载人平台上的BOTDA检测仪和预先埋设于每根脐带缆内的多个第一光纤，每个第一光纤依次与BOTDA检测仪、信号处理器、网络交换机和控制系统相连；BOTDA检测仪用于向第一光纤注入入射光，并测量在第一光纤中产生的布里渊散射光相对于入射光的频移量，BOTDA检测仪基于布里渊散射光的频移量与第一光纤受到的轴向应变存在的线性关系，计算出第一光纤的应变信息以获取脐带缆受到的轴向应变。

其进一步的技术方案为，脐带缆特性数据库还包含了脐带缆的应力、温度分别与应变信息之间的关系，则控制系统还用于基于构建的脐带缆特性数据库计算每根脐带缆的应力和温度；

其中，对称分布的一对第一光纤的共模分量与脐带缆的应力、温度存在一定特性关系，对称分布的一对第一光纤的差模分量与脐带缆的弯曲曲率存在一定特性关系。