一种海底管道三维地理坐标测量方法技术

本发明专利技术公开了一种海底管道三维地理坐标测量方法，所述测量方法包括以下步骤：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。本发明专利技术实现了在没有任何辅助定位方法(如GPS、地面标记器)的前提下，利用球形内检测器进行全管线、短周期、低成本、便捷的海底管道三维地理坐标测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及管道检测
，尤其涉及一种基于球形内检测器的海底管道三维地理坐标测量方法。
技术介绍
随着全球油气资源消费的持续增长和陆地油气资源的日渐枯竭，海洋油气开发已经愈来愈受到全世界的重视，未来我国乃至世界海底输油气管道的数量会以惊人的速度增长。海底输油气管道在国民经济中起着非常重要作用的同时，又经常发生触目惊心的管道泄漏事故，造成巨大的经济损失和严重的环境污染，甚至引发生态灾难，且随着海底管道数量的增加有愈演愈烈之势。定期对海底管道各种缺陷和原位状态进行全管线检测，及早采取维修、预防措施，可避免海底管道泄漏事故发生并延长其使用年限。因此各种检测技术包括：管道防腐层检测、管道腐蚀检测、管道泄漏检测、管道位置定位检测与监测应运而生。其中，管道位置检测是实现管道其他很多检测技术得以实现的前提。首先，内检测法是目前应用较多的海底管道缺陷检测方法。海底管道缺陷内检测只有在知道了海底管道地理坐标的前提下才有意义。否则，即便检测到了海底管道缺陷也无法对其进行维修。其次，海底管道在运输油气的过程中，存在高温热膨胀和内外压力差，会使海底管道有伸长的趋势。在大尺度范围内，海底管道会变得很柔软。当受到海底洋流或潮汐的冲刷作用时，海底管道会发生漂移并偏离最初的地理位置，导致其地理坐标信息丢失，使得对海底管道定位、维护、维修变得困难。因此，海底管道地理坐标测量具有重要意义。目前针对海底地理坐标测量，国内外通常是利用水下机器人(Remote Operated Vehicle，ROV)、(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)携带多波束测深仪、旁扫声呐、浅地层剖面仪、水下摄像机、海洋磁力仪等，完成水下及海底泥面以下管道埋藏状况以及路由区域海底地质状况调查。其中，多波束测深仪和旁扫声呐通过探测水深和海底地貌来确定海底管道纵向和横向位置；浅地层剖面仪可以获得高、低频两种浅地层剖面资料，实现对埋藏管道的埋深、上覆沉积物的类型及厚度的调查。多波束测深仪不能显示完全掩埋管道的状态，需要浅地层剖面仪的配合。水下摄像机检测海底管道直观性强，但是能见度很低。海洋磁力仪可用于检测管道是否存在，但不能探测海底管道的空间位置状态。这些方法都有各自不足，需要综合利用，联合分析。这导致检测任务复杂、成本高，检测间隔长的问题。而且对于深水海管，工程物探法检测难度非常大。此外，有人尝试将捷联惯导技术应用于海底管道地理坐标测量，但未获得成功。主要原因是惯性导航须基于球形或柱形内检测器和地面标记器实现，而埋入泥下的双层海底管道沿途没有设置标志点，难以获取管道沿途的GPS信息，惯性导航定位误差会随着时间的积累迅速增大导致定位发散，不能长时间独立工作。综上所述，急需一种全管线、短周期、低成本、实施便捷的海底管道三维地理坐标测量方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种海底管道三维地理坐标测量方法，本专利技术实现了在没有任何辅助定位方法(如GPS、地面标记器)的前提下，利用球形内检测器进行全管线、短周期、低成本、便捷的海底管道三维地理坐标测量，详见下文描述：一种海底管道三维地理坐标测量方法，所述测量方法包括以下步骤：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。其中，所述计算球形内检测器里程的步骤具体为：对第j个数据子集做傅里叶变换得到中间变量数据子集，搜索中间变量数据子集的最大值得到最大值的索引，获取数据子集对应的球形内检测器滚动的平均频率；设球形内检测器的外径，获取数据子集对应的球形内检测器前进的平均速率；获取球形内检测器在第j个数据子集期间的里程；设管道总长度为S0，获取修正以后球形内检测器在第j个数据子集期间的里程。其中，所述构建转换矩阵的步骤具体为：分别对数据子集进行中值滤波，得到滤波后的信号子集；通过滤波后的信号子集获取中间变量数据子集；计算中间变量数据子集的幅值，构建矩阵集合。其中，所述对磁场做坐标变换的步骤具体为：将B2x(k)、B2y(k)、B2z(k)分割成一系列数据子集；利用R12j对一系列数据子集作如下运算，得到Gxj,Gyj,Gzj；计算Gxj,Gyj,Gzj的均值，得到的三个新分量构成的中间变量向量。其中，所述计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标校准初步计算的管道3D地理坐标的步骤具体为：计算单位旋转轴；计算旋转角；计算旋转矩阵；计算缩放系数；校准。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本方法不需要GPS和地面标记器，特别适用于海底管道；2、本方法所采用的内检测器是外径小于管道内径的球形结构，因此不易发生卡堵，能克服管道变形并轻松通过管道上的阀门等装置；3、本方法所采用的所用的磁传感器和加速度传感器是MEMS器件，具有低成本、微功耗、体积小、使用灵活等优点；4、本方法利用现有的清管器收发设备，可以方便、快速的发射与接收所采用的球形内检测器；该方法不仅可应用于海底管道，也可应用于陆地管道与城市供水管道的轨迹重构，适应性强、应用面广；5、在没有GPS和地面标记器的情况下，经过实验验证本方法已经能够利用球形内检测器绘制出一条30km长的成品油管道轨迹，验证了本方法的可行性。附图说明图1为一种海底管道三维地理坐标测量方法的流程图；图2为原始加速度信号数据子集Sxj、Syj、Szj的示意图；图3为去除直流分量并滤波之后的加速度信号数据子集Vxj、Vyj、Vzj的示意图；图4为四种配置的R12j正交误差ER12j的示例图；图5为坐标变换前后的磁场的示意图；(a)为变换前的示意图；(b)为变换后的示意图。图6为计算得到的管道轨迹：(a)计算、未校准的管道轨迹；(b)校准后的管道轨迹。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例提出了一种海底管道三维地理坐标测量方法，参见图1，该方法包括以下步骤：101：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；102：构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；103：求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；104：计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。其中，步骤101中的计算球形内检测器里程的步骤具体为：对第j个数据子集做傅里叶变换得到中间变量数据子集，搜索中间变量数据子集的最大值得到最大值的索引，获取数据子集对应的球形内检测器滚动的平均频率；设球形内检测器的外径，获取数据子集对应的球形内检测器前进的平均速率；获取球形内检测器在第j个数据子集期间的里程；设管道总长度为S0，获取修正以后球形内检测器在第j个数据子集期间的里程。其中，步骤102中的构建转换矩阵的步骤具体为：分别对数据子集进行中值滤波，得到滤波后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海底管道三维地理坐标测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标，对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。

【技术特征摘要】
1.一种海底管道三维地理坐标测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标，对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。2.根据权利要求1所述的一种海底管道三维地理坐标测量方法，其特征在于，所述计算球形内检测器里程的步骤具体为：对第j个数据子集做傅里叶变换得到中间变量数据子集，搜索中间变量数据子集的最大值得到最大值的索引，获取数据子集对应的球形内检测器滚动的平均频率；设球形内检测器的外径，获取数据子集对应的球形内检测器前进的平均速率；获取球形内检测器在第j个数据子集期间的里程；设管道总长度为S0，获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新敬，陈世利，李健，张宇，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12