新型无线测量海底钻头方位的方法和系统介绍

蒋哲?周东荣?王晓朋?周怡和

摘  要：介绍一种新型规避干扰的无线测量海底钻头方位的方法和系统。

关键词：海底钻头；方位测量；规避干扰；无线

0 引 言

在海底沉船打捞过程中，钢丝绳穿越沉船底部是比较关键的步骤，其准确性和快速性也影响了沉船打捞所花费的成本。将管道施工中的水平定向钻技术使用到海底钢丝绳穿越领域是一个比较可行的方法，已经在浅海沉船打捞中有所使用，但是在深海和大沉船中并不多见，这其中一个比较关键的问题就是穿越过程中钻头位置的实时定位。通常的做法是将钻头中的探棒简化为磁偶极子，利用磁场的传播模型，通过测量三维磁场数据来确定钻头的位置和方向，但是如果沉船为大型刚体金属结构，则磁偶极子的磁场传播路径将受到严重影响，这导致钻头定位的不准确。

文献[1-2]中提到在海底磁性物质探测领域，一般情况下都是利用布设探测测线来进行，根据目标磁场的分布特征确定磁测线， 但是大沉船上方布线基本不可行；文献[3]将磁性目标分为横向固有磁矩、横向感应磁矩、纵向固有磁矩、纵向感应磁矩，建立磁偶极子模型，进行多次测量后利用最小二乘法计算；文献[4]建立海底电缆的磁场模型，通过五根磁场探测线圈的不同组合，获取海底电缆偏距、深度等信息，这都是针对单磁偶极子进行的测量。文献[5] 通过建立网格化的三维测量天线，以扫描方式探测航天器内部的磁性物体，可以通过测量计算点的密集程度来判断磁性点的位置，具体使用的算法为磁场的欧拉反算法，可以对空间中多磁偶极子进行辨识。

1 定位方案设计

定向钻施工过程中的钻头探棒将实时信息调制后，以电磁波形式进行数据的发送，其本身是一个磁偶极子磁源。当探棒位于沉船底部时，金属刚体的沉船将被磁场磁化，形成二次磁源，而二次磁源也将发送信息，由于磁场使用的频率为极低频，所以两者的数据相位基本重合，这样，磁场的传播进行了叠加，传播规律发生了改变，将无法确定探棒的方位。不过，通过分析我们可以得出该场景可以模拟成多磁源环境中寻找某个磁场最大的磁源的问题。

在单磁源定位领域，使用磁场梯度法进行定位所使用的公式为：

G（r-r0）=-3H

其中r0磁源的xyz坐标为，r为测量点的xyz坐标，G为磁场的梯度张量

Bxx Bxy Bxz

G=Byx Byy Byz

Bzx Bzy Bzz

H为r点的磁场强度数据。通过测得某点的磁场梯度张量和磁场强度数据，即可以计算出磁源的位置。由于：

Bxx+Byy+Bzz=0

Bxy=Byx; Byz=Bzy; Bzx=Bxz

所以计算某一点的磁场梯度，只需要与其最近的4个测点和中心点的磁场数据即可，设计磁场测量的天线阵列如图1所示。

该天线阵在多磁源环境下，将得出离测点磁场强度最大的一个点位置。

为了能对多磁源进行分辨，需要在探测平面内布置多组测点，如图2所示。

2 仪器设计

普通水平定向钻所使用的导向仪为，其中天线的样子为三维正交天线，即可以同时测量xyz3个方向上的磁场信号，见图3。

本次设计中使用了5组三维正交天线，即形成十字正交天线阵列，处理界面见图4。

处理方法为：通过1次测量即可获得离该测量点磁场最大的磁源的位置，前后左右移动接收机，寻找距离最小的位置即为探棒的最上方，并可以通过轨迹法判断出钻头的前进法方向。

3 结 论

通过上述方式，可以有效解决海底钻头方位测量时受金属和海水干扰吸收的问题，具有许多有利于测量作业的优势。

参考文献

[1] 王传雷，路维民，王洪松，等.磁法探测木质沉船的应用实例[J].物探与化探，2018，42（2）：708-711.

[2] 边刚，刘雁春，婓文斌，等.海洋工程中磁性物質探测时探测间距和探测深度的确定[J].海洋技术，2008，27（2）：41-46.

[3] 杨庆宇，赵俊生，边刚，等.基于最小而成的磁性目标磁矩确定方法[J].海洋测绘，2019，39（4）：36-40.

[4] 周鹏，曾捷，梁大开，等.五棒式边长可调整海缆探测天线阵及其探测方法[J].仪器仪表学报，2013，34（3）：657-663.

[5] 陈俊杰，易忠，孟立飞，等.基于欧拉方法的多磁偶极子分辨技术[J]航天器环境工程，2013，30（4）：401-406.