声纳数据采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明披露了可用于检查水下结构的系统。所述系统使得使用者能够对水下结构的状况有更好的了解。所述系统是自含式的模块化系统，可由潜水员操作、连接至AUV、ROV或其它主平台工具部署平台、由船只牵引、安装在杆上、或安装在船体。实现所希望的扫描功能所需的所有部件被结合到所述自含式模块化系统。所述系统可包括并完全使用3D声纳系统和惯性导航系统。该特征的组合允许系统用于例如生成水下结构的3D模型、通过将所生成的3D模型与先验的3D模型进行比较来检测水下结构的变化、和根据所观察到的水下结构的特征向主平台提供导航更新信息。
【专利说明】声纳数据采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于对海底和其它水下结构进行检查的系统。
【背景技术】
[0002]存在许多水下结构，可能需要对所述水下结构有更好的了解。一个示例是常规或在遭遇极端事件例如飓风后对海洋油气平台的海底支撑结构进行检查。目前检查水下结构的方法包括利用潜水员、远程操纵潜水器(ROV)和自主式水下航行器(自主式水下机器人)(AUV)进行检查。
【发明内容】
[0003]需要可用于检查水下结构的系统。所述系统能够让使用者对水下结构的状况有更好的了解。所述系统是自含式模块化系统，可由潜水员操作、连接至AUV、R0V或其它主航行器部署平台、由船只牵引、安装在杆上、或安装在船体。实现所希望的扫描功能所需的所有部件被结合到所述自含式模块化系统上。
[0004]所述系统可用于扫描由完全不同于水的材料组成的任何类型的水下结构以提供声纳反射。水下结构包括人造物体例如海洋石油平台支撑结构和油井类设备，以及自然物体例如地质和生物层构造。可能希望扫描水下结构，例如，以便作为常规检查计划的一部分或在遭遇极端事件例如飓风后对所述结构进行检查，或以便生成水下结构的模型。当在本文使用时，术语水下包括任何类型的水下环境，所述水下环境中可能探明有水下结构并且可能需要利用本文所述的系统对所述水下结构进行扫描，包括但不限于咸水地点例如海和洋以及淡水地点。
[0005]所述系统可包括并且完全使用3D声纳系统和惯性导航系统。这种特征的组合使得系统能够用于例如生成水下结构的3D模型、通过将所生成的3D模型与先验的3D模型进行比较来检测水下结构的变化、和根据观察到的水下结构的特征对主平台提供导航更新，尽管系统的其它用途是可行的。
[0006]在一个实施例中，用于扫描水下结构的模块化系统包括模块化支撑架，安装在所述模块化支撑架上的3D声纳系统，安装在所述模块化支撑架上的惯性导航系统(INS)，和安装在所述模块化支撑架上的电子压力容器。INS可包括多普勒速度计程仪(DVL)和电导率-温度-深度(CTD)传感器。电子压力容器可包括一个或多个数据处理器，一个或多个非易失性存储设备，和操作3D声纳、INS、CTD和至主平台的接口(界面)所需的其它相关部件，可选地包括电源和通信连接。3D声纳系统、INS和CTD被电连接至电子压力容器。可选地，GPS系统也可被连接至电子压力容器并安装在模块化支撑架上。该模块化系统是自含式的并且在一个实施例中只需要被连接至主平台，例如AUV或R0V，用于供电和运动。可通过使用可选的能潜水的蓄电池组件来减轻电力需求，所述蓄电池组件也可被安装在模块化支撑架上。
[0007]模块化系统还可包含一个或多个不同频率的其它的声纳系统，以便采集有关被检查结构的不同数据。一个示例是包括低频声纳系统，例如披露于申请日为2010年10月25日的美国临时专利申请SerialN0.61/406479，发明名称为“RemoteFloodedMemberDetection”,该专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用，以便检查进水构件的结构。该第二声纳系统也会被安装在模块化支撑架上并且会被电连接至电子压力容器。
[0008]模块化系统还可包含一个或多个照相机/摄像机(摄像头)和/或照明(器)，用于采集被检查结构的可视化数据。所述照相机/摄像机(摄像头)如果存在的话可以是静止的和/或视频的，彩色的和/或黑白的照相机/摄像机(摄像头)。照明(器)如果存在的话可以是闪/频闪和/或连续光。这些照相机/摄像机(摄像头)和照明器也会被安装在模块化支撑架上并被电连接至电子压力容器。
[0009]当在本文中使用时，ROV是远程操作的水下航行器，被栓系至主机例如水面船只。ROV是无人的并由主机(船)上的操纵员(操纵器)操作。系缆可在主机和ROV之间来回传送例如电力(取代或补充自含式系统上的电池电源)、视频和数据信号。
[0010]当在本文使用时，AUV是自主式水下航行器，是无人驾驶的并且不被栓系至主航行器(vessel)。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1示出了本文所述的系统扫描水下结构。
[0012]图2是构成本文所述系统的一部分的模块化扫描包的透视图。
[0013]图3是模块化扫描包的另一透视图。
[0014]图4示出了模块化扫描包的一种变型。
[0015]图5示出了可采用模块化扫描包的ROV的一个示例。
[0016]图6示出了图4所示模块化扫描包的潜水员操作的形式。
【具体实施方式】
[0017]图1示出了水体10，其中设置有水下结构12。水体10可以是任何水体，咸水或淡水。在示出的本示例中，结构12是石油平台14的支撑结构，其中支撑结构12被安装至水体的底部。不过，所示的石油平台支撑结构仅是示例性的，并且应当理解，水下结构可以是任何类型的水下结构，人造的或自然形成的，固定至底部或浮动的。
[0018]示出系统16潜入水10中并且相对于结构12就位以便扫描结构。图1中所示的系统16被结合入AUV。不过，如在下文中更详细描述的，系统16不限于用作AUV或与AUV一起操作。
[0019]图2和图3示出了模块化包形式的系统16。所述包(package)形成系统的核心并包括支撑结构20，和安装在支撑结构20上的3D声纳22、惯性导航系统(INS) 24以及电子压力容器26。
[0020]在所示的示例中，支撑结构20是模块化支撑架，由多个单独的中空框架件30构成，所述中空框架件30由合适的材料例如铝制成。每个框架件30在形状上大体是矩形的，沿着框架件具有多个孔32以便于支撑架的组装、以便于支撑架形状的变化，以及如果需要以便于将支撑架安装到主平台上。角撑板34或其它合适的连接件将框架件30彼此连接。[0021]多个可选的有眼螺栓36可在合适的位置被连接至支撑架，以便于将提升装置连接至支撑架以便提升系统。此外，多个可选的手柄38可在支撑架的上面(顶部)被连接至框架件30，当所述(模块)包用于图6所示的潜水员操作的形式时可辅助潜水员操作。此夕卜，多个可选的可调底脚40可设置在支撑架的基部(底部)，可用于当搁置在甲板上时校平支撑架。
[0022]仍参见图2和图3，3D声纳22被安装在支撑结构20上。3D声纳22可以是形成3D图像的任何声纳。合适的3D声纳的一个示例是可从CodaOctopusProducts购得的CodaOctopusEchoscope。在所示的实施例中，声纳22被安装成使得声纳22指向支撑结构的一侧或指出支撑结构的一侧以便向该侧发送(声纳)脉冲。声纳22还被定向成相对于纵向(垂直方向)成一希望的角度，如图2所示。例如，声纳22可以相对于纵向(垂直方向)以一角度向下倾斜。不过，应当理解，在适当的情况，声纳22可被安装成使其指向其它方向并相对于纵向(垂直方向)具有其它定向。
[0023]3D声纳22被电连接至电子压力容器26和数据处理电子器件及其中的数据存储装置，以便当声纳发送和接收返回的声纳脉冲时由声纳22产生的数据(按路径)发送到压力容器。此外，3D声纳22从压力容器26接收供电。
[0024]INS24也被安装在支撑结构20上。INS24确定支撑结构20的位置、定向和速率(运动的方向和速度)。INS24包括面向下的多普勒速度计程仪(DVL)单元，用于确定速率(速度)。INS24可以是可确定位置、定向和速率(运动的方向和速度)的任何系统。合适的INS 的一个不例是可从 KearfottCorporation 购得的 SeaDeVil。
[0025]还设置了电导率-温度-深度(CTD)传感器70，用于感测水的盐度、水温和深度。CTD传感器通过提供声音信息(声测信息)的速度和参考深度测量来改进3D声纳22和INS24的作业。应当理解，提供所述信息的任何传感器可替代传感器70，并且系统可在没有CTD传感器70的情况下作业。
[0026]电子压力容器26也被安装在支撑结构20上。压力容器26包括水密耐压罐(筒)，所述水密耐压罐包括由端盖闭合每一端的中空的罐。至少一个端盖可移去地被连接至(耐压)罐，以便进入罐的内部。
[0027]电子压力容器26的内部包含数据处理能力(硬件和软件)，适于由系统执行扫描任务。在一个示例中，电子压力容器26包括一个或多个数据处理器、一个或多个非易失性存储装置、以及操作声纳22、INS24及CTD传感器70和接口至主平台所需的其它相关的部件，可选地包括电力和通信连接(件)。对于每个数据处理器，优选至少有一个非易失性存储装置与数据处理器相联。
[0028]模块化包还可包含一个或多个不同频率的其它声纳系统，以便采集有关被检查结构的不同数据。例如，可以设置频率低于声纳系统22的低频声纳系统。如申请日为2010年10月25日、发明名称为“RemoteFloodedMemberDetection”的美国临时专利申请SerialN0.61/406479中所披露的，低频声纳系统可用于检查进水构件的结构。该低频声纳系统也会被安装在模块化支撑架上并会被电连接至电子压力容器26。
[0029]模块化包还可包含一个或多个照相机/摄像机(摄像头)和/或照明(器)，用于采集被检查结构的可视化数据。照相机/摄像机(摄像头)如果存在的话可以是静止的和/或视频的、彩色的和/或黑白的照相机/摄像机(摄像头)。照明(器)如果存在的话可以是闪/频闪和/或连续照明光。这些照相机/摄像机(摄像头)也会被安装在模块化支撑架上并被电连接至电子压力容器。可选地，GPS系统也可被连接至电子压力容器并被安装在模块化支撑架上。
[0030]图4示出了模块化扫描包的一种变型，所述模块化扫描包包括图2和图3所示的所有部件。此外，照相机/摄像机(摄像头)平台80被安装在支撑结构20的后部，使潜水员的摄像机82安装在平台上并如3D声纳一样指出支撑结构的相同侧。悬浮泡沫体84或其它有浮力的部件可被连接至支撑结构以便使系统有中性浮力。在与AUV或ROV —起使用的情况，不需要中性浮力并且不需使用悬浮泡沫体。一个或多个可再充电的电池86可向系统16供电，并且可设置接线箱88用于将多个电池连接在一起并将它们连接至电子压力容器26。
[0031]图4中系统的实施例尤其适于用作图6所示系统的潜水员操作的形式。在该形式中，系统由潜水员操作的牵引工具100牵引，所述牵引工具被栓系至系统。第二潜水员可抓住设置在支撑结构后部的手柄，以便操作系统。联系管102可从系统延伸至主平台104例如水面船只，数据和/或电力(如果合适，在支撑架上不提供电池电源)可通过它在系统和主平台之间传送。不过，图6中的系统可由具有联系管102或没有联系管102的潜水员操作。
[0032]图5示出了 R0V120的一个示例，在ROV上可使用系统16。系统16会以工具垫木(toolskid)的方式例如利用安装孔32被安装至R0V120的底部122。
[0033]上文所述的系统可以多种不同的方式用于多种不同的目的。系统可作自含式系统用，用于扫描可以是潜水员操作的或安装在主平台例如AUV或ROV上的水下结构。在一个实施例中，自含式系统操作3D声纳，采集惯性导航数据，记录并处理来自3D声纳和惯性导航系统的数据以便构造所扫描结构的完整3D模型，所述3D模型可用于多种用途，包括变化检测和基于特征的导航。会利用压力容器中的数据处理电子器件来采集、记录和处理数据以构造3D模型。在另一实施例中，自含式系统可通过利用压力容器电子器件将来自3D声纳的最新扫描与先前的扫描或结构的现有3D模型进行比较用于检测水下结构的变化。在另一实施例中，自含式系统可根据来自3D声纳扫描的水下结构的特征用于相对于水下结构进行导航。
[0034]在自含式系统安装在ROV上的情况，ROV操纵员(驾驶员)可利用实时3D声纳照片(可通过连接至ROV的联系管或通过其它适当的传送方法被传送至主航行器)以便相对于水下结构帮助导航R0V。如果可用结构的现有模型，则自含式系统可用于基于特征的导航并非常准确地向ROV操纵员报告ROV目前的位置。
[0035]尽管在压力容器中进行数据处理，可从压力容器中提取所采集和处理的数据。例如，当系统被带到主航行器上时，主机和压力容器之间的适当连接例如以太网连接可用于提取数据。
[0036]本申请中所披露的示例在所有方面应被认为是说明性的而非限制性的。本发明的保护范围由所附权利要求书表示而非由前述的说明书限定；并且在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化例应在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于扫描水下结构的自含式系统，包括: 支撑结构； 3D声纳，所述3D声纳安装在所述支撑结构上； 惯性导航系统，所述惯性导航系统安装在所述支撑结构上；和 电子压力容器，所述电子压力容器安装在所述支撑结构上；所述电子压力容器包括数据处理器和非易失性存储装置，并且所述3D声纳和惯性导航系统被电连接至所述电子压力容器。
2.根据权利要求1所述的自含式系统，还包括第二声纳，所述第二声纳安装在所述支撑结构上并电连接至所述电子压力容器，所述第二声纳具有与所述3D声纳不同的频率。
3.根据权利要求2所述的自含式系统，还包括多普勒速度计程仪，所述多普勒速度计程仪安装在所述支撑结构上并电连接至所述电子压力容器。
4.根据权利要求3所述的自含式系统，还包括CTD传感器、照相机/摄像机/摄像头、GPS系统、至少一个可再充电的电池和照明器，每一个被安装在所述支撑结构上。
5.根据权利要求1所述的自含式系统，其中所述电子压力容器包括多个数据处理器和针对每个数据处理器的至少一个非易失性存储装置。
6.根据权利要求4所述的自含式系统，其中所述3D声纳、照相机/摄像机/摄像头和照明器各自沿相同的方向指向所述支撑结构的一侧，并且所述多普勒速度计程仪从所述支撑结构向下指向。
7.一种用于扫描水下结构的模块化包，包括: 模块化支撑架； 3D声纳，所述3D声纳安装在所述模块化支撑架上； 惯性导航系统，所述惯性导航系统安装在所述模块化支撑架上；和 压力容器，所述压力容器安装在所述模块化支撑架上；所述压力容器包括数据处理器和非易失性存储装置，并且所述3D声纳和所述惯性导航系统被电连接至所述压力容器。
8.根据权利要求7所述的模块化包，其中所述模块化支撑架被设置成连接至水下航行器。
9.根据权利要求8所述的模块化包，其中所述水下航行器包括ROV或AUV。
10.根据权利要求7所述的模块化包，还包括第二声纳，所述第二声纳安装在所述模块化支撑架上并电连接至所述压力容器，所述第二声纳具有与所述3D声纳不同的频率。
11.根据权利要求10所述的模块化包，还包括多普勒速度计程仪，所述多普勒速度计程仪安装在所述模块化支撑架上并电连接至所述压力容器。
12.根据权利要求11所述的模块化包，还包括CTD传感器、照相机/摄像机/摄像头、GPS系统、至少一个可再充电的电池和照明器；每一个被安装在所述模块化支撑架上。
13.根据权利要求7所述的模块化包，其中所述压力容器包括多个数据处理器和针对每个数据处理器的至少一个非易失性存储装置。
14.根据权利要求7所述的模块化包，还包括位于所述模块化支撑架的底端的可调支撑脚。
15.根据权利要求7所述的模块化包，其中所述数据处理器被设置成进行水下结构的3D映射、水下结构的变化检测或相对于水下结构的导航中的一个或多个。
16.根据权利要求12所述的模块化包，其中所述3D声纳、照相机/摄像机/摄像头和照明器各自沿相同的方向指向所述模块化支撑架的一侧，并且所述多普勒速度计程仪从所述模块化支撑架向下指 向。
【文档编号】G01S15/89GK103518143SQ201180048447
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2011年10月25日 优先权日:2010年10月25日
【发明者】H·J·利希特, B·S·蒂尔顿, 塞缪尔·加西亚 申请人:洛克希德马丁公司