專利名稱：一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置。
背景技術(shù)：
作為連接海底井口與海面作業(yè)平臺(tái)的紐帶，隔水管在隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、補(bǔ)償浮式鉆井裝置的升沉運(yùn)動(dòng)等方面發(fā)揮重要作用。無論深海油氣開采采用何種浮式系統(tǒng)方案，隔水管都是海洋石油天然氣開采必不可少的設(shè)備，同時(shí)也是薄弱易損的構(gòu)件之一。處于深海(大于1500m)環(huán)境中的隔水管，在洋流、波浪和海面平臺(tái)的振蕩、漂移和起伏運(yùn)動(dòng)等多種載荷的共同作用下，將產(chǎn)生交變應(yīng)力，誘發(fā)隔水管疲勞，降低隔水管使用壽命，甚至斷裂，給深海石油開發(fā)造成重大損失。因而為掌控隔水管的疲勞壽命，保證隔水管工作在安全范圍內(nèi)，對(duì)隔水管進(jìn)行全局性的高效率監(jiān)測是亟需破解的瓶頸問題。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸和供電方式不同，目前工程上使用的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要分為單機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)和聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)三類。單機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)記錄儀和相應(yīng)的傳感器組成，其中數(shù)據(jù)記錄儀一般包括中心處理單元、模.數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及其他輔助元件，這些元件都封裝在堅(jiān)固的不銹鋼外殼中。數(shù)據(jù)記錄儀與所需的傳感器集成使用，單機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)使用自帶電池組供電進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，測量結(jié)束后從存儲(chǔ)器中下載數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。單機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)采用綁帶和卡箍將其安裝到隔水管上，等隔水管回收后讀取數(shù)據(jù)或者采用水下機(jī)器人 (ROV)取數(shù)據(jù)并更換電池組。該方法的成本低，但由于隔水管上不同點(diǎn)的監(jiān)測裝置的時(shí)鐘漂移，同步測量困難，從而難以確定不同點(diǎn)的相對(duì)位置，在ROV安裝傳感器時(shí)，由于絞車、ROV 和隔水管三者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，給安裝操作帶來不少難度。實(shí)時(shí)型監(jiān)測系統(tǒng)，供電和數(shù)據(jù)傳輸都通過電纜實(shí)現(xiàn)，對(duì)隔水管響應(yīng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測， 數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。線路布置會(huì)延長隔水管下入時(shí)間，并且可能損傷，不適用于深水隔水管監(jiān)測。與單機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、安裝和接口都十分復(fù)雜， 成本高，不適用于深水隔水管的監(jiān)測。而聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)是利用水聲通信技術(shù)，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，水下環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜多變的環(huán)境，導(dǎo)致水聲信道具有時(shí)一空一頻變的特性，即水聲信道是一個(gè)傳輸特性十分復(fù)雜的頻率選擇性衰落信道。多徑擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展大、環(huán)境噪聲高、可用帶寬有限、載波頻率低、傳輸速度慢等，大大地制約了水聲通信的性能，為了在保證通信可靠性的同時(shí)，將功耗降到最低，在設(shè)計(jì)信息傳輸方法時(shí)，理應(yīng)考慮水聲通信信道的特點(diǎn)，在吞吐量(帶寬效率)、可靠性、端到端時(shí)延及能耗之間尋求一種好的折衷。由于水下條件十分惡劣，水聲所使用的通信設(shè)備主要由電池組供電，是一個(gè)能源受限系統(tǒng)，與用電源線供電有顯著差異，因此電源效率是設(shè)計(jì)監(jiān)測方案考慮的關(guān)鍵因素。吞吐量(帶寬效率)、可靠性、端到端時(shí)延等卻是次要的，因而，如何節(jié)約和均衡監(jiān)測設(shè)備的能耗是深水隔水管疲勞監(jiān)測所研究的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
3[0007]要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，以實(shí)現(xiàn)低耗能測量傳輸隔水管疲勞參數(shù)的目的。技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，其特征在于包括一個(gè)水聲信號(hào)接收裝置、若干個(gè)中繼器和一個(gè)隔水管疲勞監(jiān)測裝置；所述隔水管疲勞監(jiān)測裝置處于隔水管待檢測部位，隔水管疲勞監(jiān)測裝置包括疲勞信號(hào)傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號(hào)調(diào)制器、 功率放大器、控制器、水聲發(fā)射換能器和電源，由疲勞信號(hào)傳感器測量得到的疲勞參數(shù)信號(hào)依次在信源編碼器和信道編碼器中完成信源編碼和信道編碼，經(jīng)過編碼的信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)調(diào)制器，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后，由水聲發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并發(fā)射，控制器控制隔水管疲勞監(jiān)測裝置的工作過程；水聲信號(hào)接收裝置處于海面以下，與海面平臺(tái)相連，水聲信號(hào)接收裝置包括水聲接收換能器、濾波器和功率放大器，水聲接收換能器將水聲信道傳來的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過濾波和功率放大后傳遞給外部監(jiān)控分析系統(tǒng)；中繼器處于水聲信號(hào)接收裝置和隔水管疲勞監(jiān)測裝置之間，并沿隔水管等距離分布，距隔水管疲勞監(jiān)測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監(jiān)測裝置的聲信號(hào)，并對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，所有余下的中繼器依次對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，距水聲信號(hào)接收裝置最近的中繼器對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給水聲信號(hào)接收裝置。所述的一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，其特征在于相鄰中繼器之間距離采用最優(yōu)中繼距離。有益效果本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1.對(duì)比現(xiàn)有聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明極大的降低了能量消耗，拓寬了既有監(jiān)測系統(tǒng)的生存期。中繼器縮短了信號(hào)傳輸距離， 降低單跳距離的傳輸功耗，并且存在一個(gè)最佳距離范圍，使本發(fā)明總傳輸能耗最低。水下監(jiān)測裝置和中繼器都采用電池組供電。在電池容量不變的情況下，本發(fā)明極大地降低了功耗， 故拓寬了監(jiān)測設(shè)備的生存期。2.提高了信道可用帶寬和信道容量。水聲信道是極其復(fù)雜的時(shí)空變換信道，與空氣信道相比，可用帶寬很窄。水聲信道的每一通信距離都對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳載波頻率。最佳載波頻率與通信距離成反比例關(guān)系。信道可用帶寬和信道容量都與傳輸距離成反比例關(guān)系。

圖1 隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置的檢測傳輸原理圖；其中1、洋流；2、隔水管；3、海底井口 ；4、海洋平臺(tái)；5、隔水管疲勞監(jiān)測裝置；6、
中繼器；7、水聲信號(hào)接收裝置。
具體實(shí)施方式
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明參照附圖1，本實(shí)施例中，隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置包括一個(gè)水聲信號(hào)接收裝置7、若干個(gè)中繼器6和一個(gè)隔水管疲勞監(jiān)測裝置5。隔水管疲勞監(jiān)測裝置5處于隔水管待檢測部位，參照附圖2，隔水管疲勞監(jiān)測裝置包括疲勞信號(hào)傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號(hào)調(diào)制器、功率放大器、控制器、水聲發(fā)射換能器和電源。其中疲勞信號(hào)傳感器包括三軸加速度傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、傾角傳感器，三軸加速度傳感器采集隔水管振動(dòng)加速度，應(yīng)力應(yīng)變傳感器負(fù)責(zé)隔水管彎曲應(yīng)變檢測， 傾角傳感器負(fù)責(zé)采集隔水管的傾斜角度信號(hào)，由疲勞信號(hào)傳感器測量得到的疲勞參數(shù)信號(hào)依次在信源編碼器和信道編碼器中完成信源編碼和信道編碼，經(jīng)過編碼的信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)調(diào)制器，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后，由水聲發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并發(fā)射，控制器控制隔水管疲勞監(jiān)測裝置的工作過程。水聲信號(hào)接收裝置7處于海面以下，與海面平臺(tái)4相連。參照附圖2，水聲信號(hào)接收裝置包括水聲接收換能器、濾波器和功率放大器，水聲接收換能器將水聲信道傳來的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過濾波和功率放大后傳遞給外部監(jiān)控分析系統(tǒng)。中繼器6處于水聲信號(hào)接收裝置和隔水管疲勞監(jiān)測裝置之間，并沿隔水管等距離分布，負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)載有隔水管疲勞信息的水聲信號(hào)。距隔水管疲勞監(jiān)測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監(jiān)測裝置的聲信號(hào)，并對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，所有余下的中繼器依次對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，距水聲信號(hào)接收裝置最近的中繼器對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給水聲信號(hào)接收裝置。為了實(shí)現(xiàn)使監(jiān)測系統(tǒng)整體能耗最低的目的，相鄰中繼器之間距離應(yīng)當(dāng)采用最優(yōu)中繼距離，計(jì)算最優(yōu)中繼距離的方法為步驟1 確定中繼距離的集合(ri;r2,…，rn)，其中中繼距離范圍為d彡r彡D/2， 其中D為傳輸距離，D是中繼距離的整數(shù)倍，d彡0. 1km。本實(shí)施例中，傳輸距離為3km，選取的中繼距離集合為(0. lkm，0.2km，0.3km，0.5km，0.6km，lkm)。對(duì)于每個(gè)中繼距離Ti，采用下列步驟計(jì)算采用該中繼距離時(shí)，單跳鏈路的能耗步驟a:由 Pt(r) = 101ogB(r)+N(f。(r))+TL+χ - ξ+SNRtgt 計(jì)算單跳鏈路的最低傳輸功率Pt (r)，其中r為選取的中繼距離，B (r)為信道可用帶寬，B (r) = bf0，其中bQ =
14.39，β =-0.55，f0(r)為對(duì)應(yīng)中繼距離r的最佳工作頻率，= Z^Z, ^(M/)) 1 ，
V r df J
^^為噪聲譜級(jí)變化系數(shù)，本實(shí)施例中取值為5，N(f)為海洋環(huán)境噪聲，采用Wenz模型 df
進(jìn)行描述IogNt (f) = 1. 7-31ogf ；f < IOHzIogNs (f) = 4+2 (s-0. 5)+2. 61ogf-61og (f+0. 03) ； IOHz ^ f < 100HzIogNw (f) = 5+0. 75w1/2+21ogf-41og(f+0. 4) ； 100Hz ^ f < IOOkHzIogNth (f) = -1. 5+21ogf ；f > IOOkHz其中，Nt、Ns、Nw與Nth分別是湍流噪聲功率譜、航運(yùn)噪聲功率譜、海面噪聲功率譜與熱噪聲功率譜，f為頻率，單位Hz ；w為海面風(fēng)速，單位m/s，s為航運(yùn)密度，N(f)=Nt (f) +Ns (f) +Nw (f) +Nth (f)。TL為聲波在聲場中的平均傳播損失，TL = 20 Igr+ ar,a為吸收
系數(shù)，《 =+I75Xltr4/2+0.003 ,SNRtgt為接收端信噪比，ξ為接收端信號(hào)
處理過程中的懲罰因子，χ為邊際因子，采用邊際因子是為了防止系統(tǒng)的隨機(jī)起伏，保證數(shù)據(jù)包可以被正常接收。步驟b 由Ο) = ^^。-17·。8/；/計(jì)算單跳鏈路的最低傳輸電功率O)，η是電路
的全局效率；步驟c 由= { r + Pl 計(jì)算單跳鏈路的能耗，其中已為接收功率，Pr與與
aB(r)
中繼距離r無關(guān)，而與接收操作有關(guān)，可以認(rèn)為是恒定的，一般為IOmW 20mW，L為數(shù)據(jù)包長，α為帶寬的利用率，單位為bps/Hz ；步驟2 根據(jù)步驟1得到的對(duì)應(yīng)每個(gè)中繼距離A的單跳鏈路能耗Eh。p (r,)，計(jì)算對(duì)應(yīng)每個(gè)中繼距離η的總傳輸功耗為Esmul = Ehop (r,) X (D/ri)，得到總傳輸功耗集合(Esuma, Esum,2，…，Esim,n)，取對(duì)應(yīng)min (Esim,^Esmu2,…，EsumJ的中繼距離為最優(yōu)中繼距離。本實(shí)施例中給定數(shù)據(jù)包長度為10K，接收端信噪比為10dB，懲罰因子和邊際因子為10，帶寬利用率為1.58bpS/Hz，計(jì)算出的不同中繼距離下的總傳輸功耗為
權(quán)利要求1.一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，其特征在于包括一個(gè)水聲信號(hào)接收裝置、若干個(gè)中繼器和一個(gè)隔水管疲勞監(jiān)測裝置；所述隔水管疲勞監(jiān)測裝置處于隔水管待檢測部位，隔水管疲勞監(jiān)測裝置包括疲勞信號(hào)傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號(hào)調(diào)制器、功率放大器、控制器、水聲發(fā)射換能器和電源，由疲勞信號(hào)傳感器測量得到的疲勞參數(shù)信號(hào)依次在信源編碼器和信道編碼器中完成信源編碼和信道編碼，經(jīng)過編碼的信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)調(diào)制器，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后，由水聲發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并發(fā)射，控制器控制隔水管疲勞監(jiān)測裝置的工作過程；水聲信號(hào)接收裝置處于海面以下，與海面平臺(tái)相連， 水聲信號(hào)接收裝置包括水聲接收換能器、濾波器和功率放大器，水聲接收換能器將水聲信道傳來的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過濾波和功率放大后傳遞給外部監(jiān)控分析系統(tǒng)； 中繼器處于水聲信號(hào)接收裝置和隔水管疲勞監(jiān)測裝置之間，并沿隔水管等距離分布，距隔水管疲勞監(jiān)測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監(jiān)測裝置的聲信號(hào)，并對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，所有余下的中繼器依次對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰的中繼器，距水聲信號(hào)接收裝置最近的中繼器對(duì)上一個(gè)中繼器發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)后編碼轉(zhuǎn)發(fā)給水聲信號(hào)接收裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，其特征在于相鄰中繼器之間距離采用最優(yōu)中繼距離。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種隔水管疲勞參數(shù)測量傳輸裝置，其中包括一個(gè)水聲信號(hào)接收裝置、若干個(gè)中繼器和一個(gè)隔水管疲勞監(jiān)測裝置，隔水管疲勞監(jiān)測裝置檢測疲勞信號(hào)并傳播給中繼器，中繼器沿隔水管按照最優(yōu)中繼距離均布，經(jīng)過中繼器多次傳遞后，疲勞信號(hào)傳遞給水聲信號(hào)接收裝置。通過計(jì)算不同中繼距離單跳鏈路的能耗，計(jì)算采用不同中繼距離時(shí)的總傳輸能耗，從而對(duì)比出對(duì)應(yīng)總傳輸能耗最低的最優(yōu)中繼距離。本實(shí)用新型采用中繼器縮短了信號(hào)傳輸距離，降低單跳距離的傳輸功耗，并且存在一個(gè)最佳距離范圍，使本實(shí)用新型總傳輸能耗最低。
文檔編號(hào)G01D21/02GK202221621SQ20112032718
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者張育芝, 李保軍, 王海燕, 申曉紅, 白衛(wèi)崗, 白峻, 趙瑞琴, 閆永勝, 陳釗 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)