[发明专利]一种三轴传感器与海底电缆相对距离的校正系统及方法

权利要求书

1.一种三轴传感器与海底电缆相对距离的校正系统，其特征在于，包括两个三轴线圈磁传感器和校正计算单元；所述三轴线圈磁传感器均由第一探棒、第二探棒和第三探棒组成；所述第一探棒、第二探棒和第三探棒是位置探测棒，结构相同且两两垂直等距分布，两两探棒之间的夹角为90°,构成x,y和z轴；在三轴线圈磁传感器探测到海底电缆的信号后，校正计算单元先根据探棒感应电动势精确计算出传感器与海底电缆的垂直及水平相对距离，然后计算出传感器与海底电缆的路由偏角，最后根据路由偏角对得到的水平和垂直距离进行校正计算。

2.一种基于权利要求1所述一种三轴传感器与海底电缆相对距离的校正系统的矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:将三轴线圈磁传感器设置于水下机器人上，控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至探棒上感应电动势出现；

步骤S2:提取出第一、第二和第三探棒的感应电动势幅值，计算出三轴线圈磁传感器与海底电缆的垂直及水平相对距离；

步骤S3:水下机器人带动三轴线圈磁传感器水平旋转,确定海底电缆的路由偏角；

步骤S4:根据路由偏角对得到的水平和垂直距离进行校正。

3.根据权利要求2所说的矫正方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

根据法拉第电磁感应定律，当线圈置于电缆产生的变化磁场中，可感应出与线圈轴向磁感应强度成正比的电动势，电缆产生的电磁场符合毕奥-萨伐尔定律，电缆对外部探测点产生的磁感应强度矢量表示为：

式中：μ₀为真空磁导率，I为电缆导线中电流强度，为与电流方向成右手螺旋关系的横向单位矢量，r为该点距电缆的直线距离；

在探测点放置一个三轴线圈传感器，且三轴线圈与电缆水平距离为P，垂直距离为H；设三轴线圈在中心重合时各轴测得的感应电动势分别为ε_x0和ε_z；设Y轴方向与电缆路由平行，根据载流电缆的磁场等效模型，得到ε_x0和ε_z表达式与距离的关系，有

其中K在海缆的载流量一定的情况下，为与传感器位置无关的常系数；X轴与Y轴线圈偏移中心后实际测得的感应电动势必然会与偏移前出现变化，分别设为ε_x和ε_y。

4.根据权利要求3所说的矫正方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

保持Z轴垂直于海底平面，根据电缆产生的磁场矢量在基阵水平轴上的分量可判断出水平上某轴与电缆路由方向的夹角；当基阵放置于电缆磁场内，设Y轴与电缆路由方向的夹角为路由偏角，当θ＜90°时其值由下式算得：

将对三轴线圈磁传感器中心到偏离中心的水平轴产生的影响的电缆段近似为直线，根据与电缆路由平行的等高度线上磁感应强度相同的规律，将水平轴在各自轴上的位置偏差在测得的感应电动势上等价为三轴中心点垂直与电缆路由方向上的位移；将Y轴设置为近似与海底电缆路由平行的探棒轴线，Y轴方向与电缆路由方向的夹角为θ，X轴线圈同向偏移长度为dx，Y轴线圈同向偏移长度为dy，X轴位置偏差的等效位移为dp_x，Y轴位置偏差的等效位移为dp_y；根据X轴偏差后的等效位移dp_x＝dx·cosθ和Y轴偏差后的等效位移dp_y＝dy·sinθ；根据海底电缆产生的磁场衰减规律得到水平两轴在偏差后测得的感应电动势与未偏差下测得的感应电动势之比为：

理想状态下水平轴磁感应强度比值与安装偏差下水平轴的磁感应强度比值之间的关系：

将三轴线圈磁传感器Z轴进行水平旋转，旋转角度为α，旋转后测得的水平轴感应电动势分量分别为ε'_x与ε'_y，旋转前后三轴线圈磁传感器与电缆之间的相对距离没有发生变化，得到下述关系：

根据上两式，通过下式算得未偏差下水平轴的比值：

进而通过下式算出Y轴与海底电缆的路由偏角：

5.根据权利要求2所说的矫正方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

设三轴线圈磁传感器测得电缆磁场矢量的水平分量为ε_p0，并且有根据电缆磁矢量分布规律，三轴线圈磁传感器在该点测得的磁矢量方向确定一条与其垂直的直线，该直线必定经过电缆，此时在已知距离的另一点处放置另一个三轴线圈磁传感器，可唯一确定另一条经过电缆的直线，两条非平行直线的交点即为电缆的位置；

设二维平面中电缆位置坐标为(0，0)，两个三轴线圈磁传感器在Y轴方向水平间距为L，分别设为1号与2号，所述1号与2号三轴线圈磁传感器坐标分别为(P,H)与(P+Lsinθ,H)，电缆位置的求解方程如下：

ε_p0·P+ε_z·H＝0 ε_pl0·(P+Lsinθ)+ε_zl·H＝0

ε_pl0与ε_zl为2号三轴线圈磁传感器测得的水平感应电动势与垂直感应电动势；

根据相对位置模型和路由偏角，设X轴线圈中心点在水平面与电缆路由垂直方向上磁感应强度所产生的感应电动势ε_px＝ε_x/cosθ，同理Y轴线圈在该方向所对应的感应电动势ε_py＝ε_y/sinθ，若X轴线圈与Y轴线圈中心点重合，那么ε_px＝ε_py；

由于每个传感器在X轴与Y轴在各自轴向上发生偏移，可知：

将

代入ε_p0·P+ε_z·H＝0

再根据公式

即得到下述方程：

ε_pxP[(P+dp_x)²+H²]+ε_zH[P²+H²]＝0

ε_pyP[(P+dp_y)²+H²]+ε_zH[P²+H²]＝0

将上两式合并得到：

设2号三轴线圈磁传感器X轴与Y轴中心所在位置磁矢量垂直电缆路由的分量为ε_plx和ε_ply，

同理推得：

根据1号三轴线圈磁传感器和2号三轴线圈磁传感器的上两个公式推得1号三轴线圈磁传感器距电缆的水平距离P为：

再根据得到该基阵距海底电缆的垂直距离为H为：

通过水平轴的信号即可计算出安装偏差下水平与垂直距离的计算，垂直轴Z轴的信号不对计算结果产生直接影响。