用于远距离海底电缆定位以及形变的高精度实时监测系统的制作方法

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种用于远距离海底电缆定位以及形变的高精度实时监测系统。

背景技术：

“海洋智能管缆线关键技术”是当前国际海洋智能技术与装备研发领域的前沿热点，也是制约我国海上资源开发和能源信息传输的技术瓶颈。随着我国新能源行业的迅速崛起以及极为迅猛的发展势头，给海底管缆产品提供了极大的市场。当前，海底管缆线主要应用于两个领域，一个是海上电能传输，另一个是海上石油钻井平台。近几年来，国内外海上风电市场的获得极大发展，更是带动了海底管缆尤其是海底电缆产品需求。

海底电缆已成为远距离跨海能源传输和新能源规模化利用的桥梁纽带和关注焦点。建立海底管缆线的标准体系，开发新型海底电缆的制造技术、高海况条件下施工技术和高精度监测技术，是系统解决未来更大长度、更大深度、更高精度海上工程作业难题的核心和关键，可显著提升海洋经济发展进程中能源与信息传输网络的智能化水平，增强抵御自然灾害的能力和安全运行可靠性。因此，发展海洋智能管缆线关键技术，对于支撑和保障能源安全及社会经济可持续发展具有十分重大的战略意义。

在海底管缆线应用迅猛发展的同时，海底管缆线的安全问题也始终为人们所关注。与陆地管缆线不同，海底管缆线运行风险更大，失效概率更高，这主要与其工作环境条件恶劣密切相关。运行在海底的管缆线既可能受到波浪、海流、潮汐、腐蚀等作用，又可能面临船锚、平台或船舶掉落物、渔网等撞击拖挂危险，很容易发生失效事故。

公告号为cn107328465a的中国专利文献一种海底电缆振动监测系统,包括有振动检测前端装置,海底电缆振动监测处理中心及用户端,的振动检测前端装置与抽取的海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤作为振动监测分布式传感器相连,的振动检测前端装置与海底电缆振动检测处理中心及用户端分别通讯连接。本发明直接利用海底复合电缆中的冗余光纤作为传感光纤,使其即充当了振动监测分布式传感器的作用,又充当监测信息传输媒介,无需铺设专用的传感和信号传输光纤,监测技术实施方便,投资省见效快。但是该发明一方面需要海底电缆包含其所需的冗余光纤，对于已经满载的海底电缆并不适用，对于已经设计封装完的海底电缆载添加上述功能显然也是不现实的；另一方面光纤监测的精度受限，很难精确定位并反映海底电缆的形态，不易满足海底电缆关键部位监测的高精度要求。

公告号为cn107339969a的中国专利文献公开了一种基于mems姿态传感器的水下面形变形监测系统，包括主控计算机、水下数据存储单元和多个并列的带状传感器阵列，主控计算机通过水下数据存储单元与各传感器阵列相连；传感器阵列的外部均由封装材料密封，内部包括通过柔性接头连接的多节矩形管；每节矩形管中布置一个mems姿态传感器，各mems姿态传感器通过电缆连接采集单元，后者与水下总控单元相连；mems姿态传感器是9轴姿态传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力仪，能将获得的加速度、角速度与磁场强度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为欧拉角或四元数的数据形式。但该发明主要针对水下地形变形的监测，并不适用于监测海底电缆的情况，并且传感器阵列采用不锈钢矩形管加橡胶柔性接头结构，可靠性差，接头处易损坏，存在发生扭曲的概率，mems姿态传感器采用9轴姿态传感器，能耗比较高，不适合水下长期布放。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供了一种远距离海底电缆定位以及形变的高精度实时监测系统。

为解决技术问题，本发明的解决方案如下：

提供一种用于远距离海底电缆定位以及形变的高精度实时监测系统，包括监测上位机；还包括检测系统；

监测上位机设于岸基上并与光电转换器相连；

检测系统包括柔性电路板，柔性电路板上焊设若干通过485总线连接线串接成串的mems模块组件，mems模块组件包括ttl转485总线模块与mems加速度传感器模块；485总线连接线与mems模块组件间还设有四线制485连接口；485总线连接线连接中央控制器，中央控制器连接电光调制器，电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(linb03)、砷化镓晶体(gaas)和钽酸锂晶体(lita03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。

中央控制器与电光调制器均与中央控制器及电光调制器电池模块相连；mems加速度传感器模块与传感器电源模块相连。

检测系统贴合于海底电缆待检测部位的外部，中央控制器通过数据传输光纤连接光电转换器；数据传输光纤也与海底电缆贴合，且通过钢丝铠装将海底电缆、数据传输光纤与检测系统共同封装。

作为一种改进，中央控制器包括嵌入式控制器和独立电源，嵌入式控制器负责所有mems加速度传感器模块的数据采集。

作为一种改进，mems加速度传感器模块是3轴加速度传感器，能将获得的加速度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为四元数或者欧拉角的数据形式。

作为一种改进，光电转换器是光电二极管。

作为一种改进，柔性电路板上相邻的mems加速度传感器模块间距为5m。

作为一种改进，传感器电源模块为5v的贴片电池；中央控制器及电光调制器电池模块为24v的贴片电池组。

作为一种改进，柔性电路板采用多层柔性板，且采用双面板结构；介质材料为胶聚酰亚胺，导体材料为铜箔，胶材料为酚丁缩醛。

作为一种改进，柔性电路板两端设有柔性电路板固定端，柔性电路板固定端上设有卡扣，用于实现与海底电缆间的连接。

本发明中，整个监测系统在海底电缆加工完成后在电缆外部布放，对已经加工完成的电缆内部结构设计不产生影响，整个过程不会损害海底电缆本身以及海底电缆数据通讯等功能。

发明原理描述：

本发明的技术方案中，mems加速度传感器模块到中央控制器的数据传输通过485总线实现，传感器节点的载体为柔性电路板，一方面保证了数据传输的可靠性，另一方面使传感器贴合海底电缆，保证在海底电缆的形态重构中不失真。在100米的重点监测部位每隔5米布置一个mems加速度传感器模块，总共放置20个mems加速度传感器模块确保在一定误差范围内定位并反映海底电缆的形态。中央控制器接收到mems加速度传感器模块数据存储并打包后通过电光调制器、数据传输光纤以及光电转换器一整套数据传输系统将加速度数据传输到岸基的监测上位机。采用光纤作为传输介质在海底电缆较长、距离岸基较远的情况下可以缩减传输时间，确保监测的实时性。海底电缆的定位通过计算各个mems加速度传感器模块的位置来实现，在此基础上通过各个mems加速度传感器模块位置差值得到海底电缆的形态。

在海底电缆加工的过程中，首先确定海底电缆输电线路的总长度，再确定重点监测的位置。然后确定到岸基监测平台的距离，定制同等长度的数据传输光纤、电光调制器以及光电转换器一套，同时制作100米的柔性电路板，并将mems加速度传感器模块和中央控制器焊接在上面。在海底电缆加工完成后，将mems加速度传感器模块及柔性电路板布置在关键监测部位并保证完美贴合，同时固定数据传输光纤及配套电光调制器、光电转换器，并制作电光调制器和中央控制器的连接电路。在整个外部加工完成后，在柔性电路部分附上一层绝缘的橡胶膜，然后使用钢丝铠装封装外部确保整个电路及数据传输部分的防水。在整个电缆在海底布放的时候监测系统随电缆一起放入海底，减少了海底施工不必要的麻烦。若持续工作一段时间后电池耗尽或者某个数据采集节点的mems加速度传感器模块出现故障，只需针对电池模块或特定传感器模块进行维修即可。

多层柔性板的定义是指柔性板中包含了多层铜箔构成的线路，不包含银浆等用丝印方式形成的导电层数。根据mems加速度传感器模块阵列对柔软性的要求以及可靠的考虑，本系统中的柔性电路板采用双面板结构。在柔性板设计中，材料的类型和结构非常重要，它主要决定着柔性板的柔软性、电气特性和其它机械特性等。作为进一步优选，介质材料选用聚酰亚胺(有胶)，导体材料选用最常用、最易于加工的铜箔，胶材料选用热固化特性好，柔性特性强的酚丁缩醛。

mems加速度传感器模块采集节点用于采集海底电缆各物理点的加速度数据，用于后期的海底电缆形态重构；作为应用示例，mems加速度传感器模块采集节点可采用维特智能sca3300三轴加速度传感器，自带温度补偿和卡尔曼滤波；中央控制器控制板用于汇总各个加速度传感器模块数据采集节点的数据，完成数据的存储和预处理，作为应用示例，中央控制器控制板可采用beckhoff的cx5100；光电转换器用于将控制中心的数据转换为光信号用于数据传输，并在岸基接收端将光信号解调为mems传感器模块数据用于海底电缆形态的重构，作为应用示例，可采用lhgd光电转换器gs-03-ab一对；数据传输光纤用于传输电信号由海底至岸基监控平台，作为应用示例，可采用jinkunyu单模单芯光纤跳线fc-fc；电源模块是为中央控制器和从站数据采集单元提供电能的，分别为24v和5v，24v是由锂电池串联或并联而成，作为应用示例，可采用飞毛腿的5v锂电池。电光调制器采用美国conoptics公司低压电光调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的用于远距离海底电缆定位及形变的高精度实时监测系统，能够实现海底电缆的定位及形变的实时监测，实现海底电缆的远程实时定位自检功能，可用于提高海底电缆的稳定性和故障修复能力。

(2)本发明创新性地提出了电光调制器、光电转换器和数据传输光纤搭配的方式实现数据的长距离传输，光纤通信不仅速度快，而且可以保证长距离数据传输的稳定性，可以有效地达到海底电缆实时监控的要求，而且采用mems加速度传感器模块监测关键部位，较传统的光纤光栅监测而言，又极大地提高了监测精度。

(3)本发明中，mems加速度传感器模块节点通过柔性电路板作为载体相连接，数据通信通过485总线实现，不仅简化了电路结构，同时保证了mems加速度传感器模块与海底电缆的完美贴合。整个系统通过钢丝铠装外壳包裹，起到防水的功能。此外mems加速度传感器模块、控制器、各光电转换模块和电池的体积较小，实现定位、监测功能的基础上可以有效地节省成本。

附图说明

图1为本发明的整体布放结构示意图；

图2为本发明应用的海底电缆截面图；

图3为本发明的柔性电路板结构示意图。

图中的附图标记：1-岸基；2-监测上位机；3-光电转换器；4-绞车；6-海底电缆待监测部位；7-数据传输光纤；8-海底电缆；9-钢丝铠装外壳；10-柔性电路板固定端；11-柔性电路板；12-ttl转485总线模块；13-mems加速度传感器模块；14-四线制485连接口；15-485总线连接线；16-中央控制器；17-传感器电源模块；18-电光调制器；19-中央控制器及电光调制器电池模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细说明。

如图1-3所示，一种用于远距离海底电缆定位以及形变的高精度实时监测系统，包括监测上位机2。还包括监测系统。监测上位机2设于岸基1上并与光电转换器3相连。光电转换器3是光电二极管。

监测系统包括柔性电路板11，柔性电路板11采用多层柔性板，且采用双面板结构。介质材料为胶聚酰亚胺，导体材料为铜箔，胶材料为酚丁缩醛。柔性电路板11两端设有柔性电路板11固定端10，柔性电路板11固定端10上设有卡扣，用于实现与海底电缆8间的连接。

柔性电路板11上焊设20个间距为5m的通过485总线连接线15串接成串的mems模块组件，mems模块组件包括ttl转485总线模块12与mems加速度传感器模块13。mems加速度传感器模块是3轴加速度传感器，能将获得的加速度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为四元数或者欧拉角的数据形式。485总线连接线15与mems模块组件间还设有四线制485连接口14。485总线连接线15连接中央控制器16，中央控制器16连接电光调制器18，中央控制器16包括嵌入式控制器和独立电源，嵌入式控制器负责所有mems加速度传感器模块的数据采集。

电光调制器18是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(linb03)、砷化镓晶体(gaas)和钽酸锂晶体(lita03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。

中央控制器16与电光调制器18均与由24v的贴片电池组组成的中央控制器及电光调制器电池模块19相连。mems加速度传感器模块13与5v的贴片电池传感器电源模块17相连。

监测系统贴合于海底电缆待监测部位6的外部，海底电缆通过岸基1上设有的绞车4进行布放，中央控制器16通过数据传输光纤7连接光电转换器3。数据传输光纤7也与海底电缆8贴合，且通过钢丝铠装将海底电缆8、数据传输光纤7与监测系统共同封装。

本发明中，整个监测系统在海底电缆8加工完成后在电缆外部布放，对已经加工完成的电缆内部结构设计不产生影响，整个过程不会损害海底电缆8本身以及海底电缆8数据通讯等功能。

如图2所示，数据传输光纤7和海底电缆8组成复合型管缆，无论在加工时候还是在布放时以及电缆和监测系统正常工作时，两条线路都是相互独立的，不会出现干涉的现象。复合型管缆的外部通过钢丝铠装外壳9包裹，一方面有防水功能，对监测系统起到一定的保护作用。另一方面避免使用昂贵的铜丝铠装外壳，能有效的降低成本。

本发明的工作过程如下：

整个监测系统直接依附在海底电缆5随电缆一起布放，主要监测关键部位6的电缆形态。依附在电缆上的监测系统可以采集各个物理点的加速度数据，然后通过485总线15将数据直接传输到中央控制器16，中央控制器16将数据进行分类和打包后经过电光调制器18将数据转换成光信号，通过数据传输光纤8将三轴加速度数据传输到监测上位机2，再通过光电转换器3将数据还原后经过上位机2的算法定位并重构出关键监测部位的形状，通过光纤传输速度快的特性保证实时性。整个海底电缆监测系统具备常闭式的工作特性，当有船只在关键位置通过或者抛锚时，上位机发送指令让监测系统启动，传感器开始采集加速度数据，定位并重构电缆的形态，监测电缆是否损坏。当海况稳定的时候，上位机发送信号使传感器关闭。常闭式的工作特性可以使整个系统的能耗降到最低，此外可以通过定期启动监测系统及时发现电缆的破损情况或者存在的安全隐患。

需说明，以上仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。