滩涂掩埋管道探测与定位关键技术研究
发布时间：2021-06-09 12:40
浅滩掩埋输油管道泄露抢修围堰作业是常见的工程技术,在当前技术条件下,围堰作业由于尚不能精确定位到管道位置,无法有效地缩小作业范围而导致较大的维修成本和事故风险。为实现浅滩掩埋下输油管道泄漏抢修围堰作业的智能化和自动化,对管道径向横截面圆位置的精确定位必不可少。在国内外专项研究尚属于空白的情况下,本文着重梳理了海洋声学中常用的掩埋管道探测技术,结合浅滩输油管道抢修作业的实际应用,首先讨论了掩埋管道探测声学模型,分析了声波在滩涂介质中的衰减特性,为声学方法探测提供了一定理论依据。其次基于声学亮点模型和几何声线法建立了管道回波模型及管道横截面圆位置的几何模型,通过仿真实验和水箱实验验证了模型的有效性,在此模型基础上,基于最小二乘思想建立修正目标函数,提出了圆心坐标的求解算法。该算法的圆心定位具有可靠的精度,最大误差为0.02m,平均误差在0.01m以下,满足工程应用的基本要求,可为今后浅滩环境下的管道截面圆位置定位方法提供理论参考。最后本文从系统设计角度介绍了4通道声波发射和接收软硬件平台,第一,介绍了DDS信号发生电路、功率放大电路、电源系统和储能电路、回波的隔离选通、压控放大及FPGA主...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能围堰打桩设备设想图
第 1 章 绪论绘制出像瀑布一样的时距剖面图直观地呈现海底或水底以下的物质结构和组成情况。因此，当水底掩埋土层中存在管道时，管道与土层交界面因声阻抗差异较大而形成强烈反射波，并产生在图像中反映为两道双曲线绕射波。这样，通过时距剖面的特征图像就能确定管道的位置与埋深。随着技术进一步发展和分辨率要求的提升，浅剖仪出现了 CHIRP 型剖面仪和参量阵型剖面仪，这些新型的浅地层剖面仪具有高频、高分辨、低透射率等特点，适用于埋深较浅的物体或管道的探测，可将垂直分辨率提升到几厘米[7]-[8]。
（1）合成孔径声呐：传统声呐技术在探测海底管道时，遇到最大的问题是穿透力和分辨率难以兼得。低频大孔径声呐具有高投射力，但分辨率太小，而高频小孔径声呐分辨率高，穿透性很差。近几年，海洋声学探测的研究热点之一就是低频合成孔径声呐技术(SyntheticApertureSonar,SAS)，它是一种高穿透性、高分辨率的成像声呐系统。[11]针对基阵孔径理论值过大的问题，合成孔径声呐技术利用沿空间匀速直线运动的传感基阵（小尺寸）合成了虚拟的大孔径基阵，在运动轨迹的相应位置接收声回波信号，利用发射接收的空间位置和相位关系，对不同的回波信号进行相干叠加处理，从而在运动方向上获得较高的分辨率，解决了孔径大小与分辨率二者之间的矛盾，获取对水底物质构造直观而准确的资料。[12]。合成孔径声呐技术依靠水下导航、高速数字信号处理技术、运动误差估计及多子阵成像等方面研究工作，取得突破发展，在水下无人移动、水下无人艇等多种应用平台取得成功，在掩埋小目标成像、地貌成像、海底管道探测、海底光缆探测等多种复杂任务中得到应用。[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于B超成像的浑水地形可视化测量与模型重建[J]. 宋欢,邹先坚,王川婴,韩增强,马志敏. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(03)
[2]基于ADSP的线列阵水下目标方位距离估计实现方法[J]. 赵俊杰. 舰船科学技术. 2016(S1)
[3]基于最小方差迭代圆拟合的立木胸径提取算法研究[J]. 樊丽,刘晋浩,王建利. 西北林学院学报. 2016(03)
[4]合成孔径声纳技术以及在海底探测中的应用研究[J]. 杨敏,宋士林,徐栋,王小丹. 海洋技术学报. 2016(02)
[5]基于改进圆拟合算法的激光光斑中心检测[J]. 吴泽楷,李恭强,王文涛,杨雪,唐晓军,姜东升. 激光与红外. 2016(03)
[6]改进的Kasa算法及其在圆拟合中的精度分析[J]. 祝强,徐臻. 测控技术. 2016(01)
[7]高频浅地层剖面技术在海底管道探测中的应用[J]. 刘臻,曹立华,童思友,蒲进菁,徐继尚. 海洋地质前沿. 2015(07)
[8]掩埋海底管道探测方法及新技术应用研究[J]. 杨敏,宋湦,王芳,宫文宁. 海洋科学. 2015(06)
[9]合成孔径声纳技术在海底管道探测中的应用进展[J]. 于灏,王培刚,段康弘,张小波. 海洋测绘. 2015(03)
[10]水下目标弹性声散射信号分离[J]. 夏峙,李秀坤. 物理学报. 2015(09)
博士论文
[1]相控阵三维摄像声纳系统信号处理关键技术研究[D]. 袁龙涛.浙江大学 2013
[2]多波束测深系统高分辨力底检测：算法研究与系统实现[D]. 姜莹.浙江大学 2012
硕士论文
[1]多频带声呐换能器匹配网络以及线性功率放大器[D]. 晏婷.北京交通大学 2015
[2]超声波非均匀介质传播衰减特性研究[D]. 张全兴.沈阳工业大学 2015
[3]多波束参量阵浅地层剖面仪测深分机接收与采集电路设计[D]. 王圣豹.哈尔滨工程大学 2012
[4]多通道参量阵宽带大功率发射机设计与实现[D]. 朱寅东.哈尔滨工程大学 2012
[5]相控阵三维声纳数据离线处理系统软件设计[D]. 李长辉.浙江大学 2011
[6]相控阵三维摄像声纳系统主控板软件设计[D]. 刘清文.浙江大学 2011
[7]三维成像声纳图像后处理技术研究[D]. 洪一帆.浙江大学 2011
[8]深水海底管道维修系统工程应用研究[D]. 王常文.天津大学 2010
[9]水下三维声成像及声纳图像处理技术研究[D]. 唐利娜.哈尔滨工程大学 2009
[10]超声波在泥浆中的传输规律研究[D]. 聂世均.中国石油大学 2007
本文编号：3220596
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能围堰打桩设备设想图
第 1 章 绪论绘制出像瀑布一样的时距剖面图直观地呈现海底或水底以下的物质结构和组成情况。因此，当水底掩埋土层中存在管道时，管道与土层交界面因声阻抗差异较大而形成强烈反射波，并产生在图像中反映为两道双曲线绕射波。这样，通过时距剖面的特征图像就能确定管道的位置与埋深。随着技术进一步发展和分辨率要求的提升，浅剖仪出现了 CHIRP 型剖面仪和参量阵型剖面仪，这些新型的浅地层剖面仪具有高频、高分辨、低透射率等特点，适用于埋深较浅的物体或管道的探测，可将垂直分辨率提升到几厘米[7]-[8]。
（1）合成孔径声呐：传统声呐技术在探测海底管道时，遇到最大的问题是穿透力和分辨率难以兼得。低频大孔径声呐具有高投射力，但分辨率太小，而高频小孔径声呐分辨率高，穿透性很差。近几年，海洋声学探测的研究热点之一就是低频合成孔径声呐技术(SyntheticApertureSonar,SAS)，它是一种高穿透性、高分辨率的成像声呐系统。[11]针对基阵孔径理论值过大的问题，合成孔径声呐技术利用沿空间匀速直线运动的传感基阵（小尺寸）合成了虚拟的大孔径基阵，在运动轨迹的相应位置接收声回波信号，利用发射接收的空间位置和相位关系，对不同的回波信号进行相干叠加处理，从而在运动方向上获得较高的分辨率，解决了孔径大小与分辨率二者之间的矛盾，获取对水底物质构造直观而准确的资料。[12]。合成孔径声呐技术依靠水下导航、高速数字信号处理技术、运动误差估计及多子阵成像等方面研究工作，取得突破发展，在水下无人移动、水下无人艇等多种应用平台取得成功，在掩埋小目标成像、地貌成像、海底管道探测、海底光缆探测等多种复杂任务中得到应用。[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于B超成像的浑水地形可视化测量与模型重建[J]. 宋欢,邹先坚,王川婴,韩增强,马志敏. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(03)
[2]基于ADSP的线列阵水下目标方位距离估计实现方法[J]. 赵俊杰. 舰船科学技术. 2016(S1)
[3]基于最小方差迭代圆拟合的立木胸径提取算法研究[J]. 樊丽,刘晋浩,王建利. 西北林学院学报. 2016(03)
[4]合成孔径声纳技术以及在海底探测中的应用研究[J]. 杨敏,宋士林,徐栋,王小丹. 海洋技术学报. 2016(02)
[5]基于改进圆拟合算法的激光光斑中心检测[J]. 吴泽楷,李恭强,王文涛,杨雪,唐晓军,姜东升. 激光与红外. 2016(03)
[6]改进的Kasa算法及其在圆拟合中的精度分析[J]. 祝强,徐臻. 测控技术. 2016(01)
[7]高频浅地层剖面技术在海底管道探测中的应用[J]. 刘臻,曹立华,童思友,蒲进菁,徐继尚. 海洋地质前沿. 2015(07)
[8]掩埋海底管道探测方法及新技术应用研究[J]. 杨敏,宋湦,王芳,宫文宁. 海洋科学. 2015(06)
[9]合成孔径声纳技术在海底管道探测中的应用进展[J]. 于灏,王培刚,段康弘,张小波. 海洋测绘. 2015(03)
[10]水下目标弹性声散射信号分离[J]. 夏峙,李秀坤. 物理学报. 2015(09)
博士论文
[1]相控阵三维摄像声纳系统信号处理关键技术研究[D]. 袁龙涛.浙江大学 2013
[2]多波束测深系统高分辨力底检测：算法研究与系统实现[D]. 姜莹.浙江大学 2012
硕士论文
[1]多频带声呐换能器匹配网络以及线性功率放大器[D]. 晏婷.北京交通大学 2015
[2]超声波非均匀介质传播衰减特性研究[D]. 张全兴.沈阳工业大学 2015
[3]多波束参量阵浅地层剖面仪测深分机接收与采集电路设计[D]. 王圣豹.哈尔滨工程大学 2012
[4]多通道参量阵宽带大功率发射机设计与实现[D]. 朱寅东.哈尔滨工程大学 2012
[5]相控阵三维声纳数据离线处理系统软件设计[D]. 李长辉.浙江大学 2011
[6]相控阵三维摄像声纳系统主控板软件设计[D]. 刘清文.浙江大学 2011
[7]三维成像声纳图像后处理技术研究[D]. 洪一帆.浙江大学 2011
[8]深水海底管道维修系统工程应用研究[D]. 王常文.天津大学 2010
[9]水下三维声成像及声纳图像处理技术研究[D]. 唐利娜.哈尔滨工程大学 2009
[10]超声波在泥浆中的传输规律研究[D]. 聂世均.中国石油大学 2007
本文编号：3220596
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