隔水管疲勞參數測量傳輸裝置及最優中繼距離計算方法
2023-04-29 10:40:31
專利名稱：隔水管疲勞參數測量傳輸裝置及最優中繼距離計算方法
技術領域：
本發明涉及海洋水聲通信技術領域，具體為一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置及最優中繼距離計算方法。
背景技術：
作為連接海底井口與海面作業平臺的紐帶，隔水管在隔離海水、引導鑽具、循環鑽井液、補償浮式鑽井裝置的升沉運動等方面發揮重要作用。無論深海油氣開採採用何種浮式系統方案，隔水管都是海洋石油天然氣開採必不可少的設備，同時也是薄弱易損的構件之一。處於深海(大於1500m)環境中的隔水管，在洋流、波浪和海面平臺的振蕩、漂移和起伏運動等多種載荷的共同作用下，將產生交變應力，誘發隔水管疲勞，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範圍內，對隔水管進行全局性的高效率監測是亟需破解的瓶頸問題。根據數據傳輸和供電方式不同，目前工程上使用的隔水管監測系統主要分為單機、實時監測系統和聲學監測系統三類。單機監測系統由數據記錄儀和相應的傳感器組成，其中數據記錄儀一般包括中心處理單元、模.數轉換器、數據存儲器以及其他輔助元件，這些元件都封裝在堅固的不鏽鋼外殼中。數據記錄儀與所需的傳感器集成使用，單機監測系統使用自帶電池組供電進行測量，數據存儲在存儲器中，測量結束後從存儲器中下載數據到計算機進行分析。單機監測系統採用綁帶和卡箍將其安裝到隔水管上，等隔水管回收後讀取數據或者採用水下機器人 (ROV)取數據並更換電池組。該方法的成本低，但由於隔水管上不同點的監測裝置的時鐘漂移，同步測量困難，從而難以確定不同點的相對位置，在ROV安裝傳感器時，由於絞車、ROV 和隔水管三者的相對運動，給安裝操作帶來不少難度。實時型監測系統，供電和數據傳輸都通過電纜實現，對隔水管響應進行連續監測， 數據被實時傳輸到數據處理中心。線路布置會延長隔水管下入時間，並且可能損傷，不適用於深水隔水管監測。與單機監測系統相比，實時監測系統的結構、安裝和接口都十分複雜， 成本高，不適用於深水隔水管的監測。而聲學監測系統是利用水聲通信技術，完成監測數據的傳輸，水下環境是一個複雜多變的環境，導致水聲信道具有時一空一頻變的特性，即水聲信道是一個傳輸特性十分複雜的頻率選擇性衰落信道。多徑擴展和都卜勒擴展大、環境噪聲高、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，將功耗降到最低，在設計信息傳輸方法時，理應考慮水聲通信信道的特點，在吞吐量(帶寬效率)、可靠性、端到端時延及能耗之間尋求一種好的折衷。由於水下條件十分惡劣，水聲所使用的通信設備主要由電池組供電，是一個能源受限系統，與用電源線供電有顯著差異，因此電源效率是設計監測方案考慮的關鍵因素。吞吐量(帶寬效率)、可靠性、端到端時延等卻是次要的，因而，如何節約和均衡監測設備的能耗是深水隔水管疲勞監測所研究的關鍵。
發明內容
要解決的技術問題為解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置及最優中繼距離計算方法，以實現低耗能測量傳輸隔水管疲勞參數的目的。技術方案本發明的技術方案為所述一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置，其特徵在於包括一個水聲信號接收裝置、若干個中繼器和一個隔水管疲勞監測裝置；所述隔水管疲勞監測裝置處於隔水管待檢測部位，隔水管疲勞監測裝置包括疲勞信號傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號調製器、 功率放大器、控制器、水聲發射換能器和電源，由疲勞信號傳感器測量得到的疲勞參數信號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，經過編碼的信號，進入信號調製器，調製後的信號經過功率放大器放大後，由水聲發射換能器轉換為聲信號並發射，控制器控制隔水管疲勞監測裝置的工作過程；水聲信號接收裝置處於海面以下，與海面平臺相連，水聲信號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轉換為電信號，電信號經過濾波和功率放大後傳遞給外部監控分析系統；中繼器處於水聲信號接收裝置和隔水管疲勞監測裝置之間，並沿隔水管等距離分布，距隔水管疲勞監測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監測裝置的聲信號，並對接受信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，所有餘下的中繼器依次對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，距水聲信號接收裝置最近的中繼器對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給水聲信號接收裝置。所述的一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置，其特徵在於相鄰中繼器之間距離採用最優中繼距離。所述最優中繼距離的計算方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 確定中繼距離的集合(ri;r2,…，rn)，其中中繼距離範圍為d彡r彡D/2， 其中D為傳輸距離，D是中繼距離的整數倍，d彡0. 1km，對於每個中繼距離T1，採用下列步驟計算採用該中繼距離時，單跳鏈路的能耗步驟a 由 Pt (r) = IOlogB (r) +N (f0 (r)) +TL+ χ - ξ +SNRtgt 計算單跳鏈路的最低傳輸功率Pt(r)，其中r為中繼距離，B(r)為信道可用帶寬，f0(r)為對應中繼距離r的最佳工作頻率，N(f)為海洋環境噪聲，TL為聲波在聲場中的平均傳播損失，SNRtgt為接收端信噪比，ξ為接收端信號處理過程中的懲罰因子，Χ為邊際因子；步驟b 由O) = 10w/1°-n_°8/;7計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^ ,/〃) = (Pr + ^ ([)μ計算單跳鏈路的能耗，其中已為接收功率，L為數
據包長，α為帶寬的利用率；步驟2 根據步驟1得到的對應每個中繼距離巧的單跳鏈路能耗Eh。p (Γι)，計算對應每個中繼距離巧的總傳輸功耗為Esmul = Ehop (Γι) X (D/ri)，得到總傳輸功耗集合(Esmbl, Esum,2，…，Esim,n)，取對應min (Esim,^Esmu2,…，EsumJ的中繼距離為最優中繼距離。
有益效果本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1.對比現有聲學監測系統，本發明極大的降低了能量消耗，拓寬了既有監測系統的生存期。中繼器縮短了信號傳輸距離， 降低單跳距離的傳輸功耗，並且存在一個最佳距離範圍，使本發明總傳輸能耗最低。水下監測裝置和中繼器都採用電池組供電。在電池容量不變的情況下，本發明極大地降低了功耗， 故拓寬了監測設備的生存期。2.提高了信道可用帶寬和信道容量。水聲信道是極其複雜的時空變換信道，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應一個最佳載波頻率。最佳載波頻率與通信距離成反比例關係。信道可用帶寬和信道容量都與傳輸距離成反比例關係。
圖1 隔水管疲勞參數測量傳輸裝置結構示意圖；圖2 隔水管疲勞參數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；5、隔水管疲勞監測裝置；6、
中繼器；7、水聲信號接收裝置。
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明參照附圖1，本實施例中，隔水管疲勞參數測量傳輸裝置包括一個水聲信號接收裝置7、若干個中繼器6和一個隔水管疲勞監測裝置5。隔水管疲勞監測裝置5處於隔水管待檢測部位，參照附圖2，隔水管疲勞監測裝置包括疲勞信號傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號調製器、功率放大器、控制器、水聲發射換能器和電源。其中疲勞信號傳感器包括三軸加速度傳感器、應力應變傳感器、傾角傳感器，三軸加速度傳感器採集隔水管振動加速度，應力應變傳感器負責隔水管彎曲應變檢測， 傾角傳感器負責採集隔水管的傾斜角度信號，由疲勞信號傳感器測量得到的疲勞參數信號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，經過編碼的信號，進入信號調製器，調製後的信號經過功率放大器放大後，由水聲發射換能器轉換為聲信號並發射，控制器控制隔水管疲勞監測裝置的工作過程。水聲信號接收裝置7處於海面以下，與海面平臺4相連。參照附圖2，水聲信號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轉換為電信號，電信號經過濾波和功率放大後傳遞給外部監控分析系統。中繼器6處於水聲信號接收裝置和隔水管疲勞監測裝置之間，並沿隔水管等距離分布，負責接收和轉發載有隔水管疲勞信息的水聲信號。距隔水管疲勞監測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監測裝置的聲信號，並對接受信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，所有餘下的中繼器依次對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，距水聲信號接收裝置最近的中繼器對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給水聲信號接收裝置。為了實現使監測系統整體能耗最低的目的，相鄰中繼器之間距離應當採用最優中繼距離，計算最優中繼距離的方法為
步驟1 確定中繼距離的集合(ri;r2,…，rn)，其中中繼距離範圍為d彡r彡D/2， 其中D為傳輸距離，D是中繼距離的整數倍，d彡0. 1km。本實施例中，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)。對於每個中繼距離T1，採用下列步驟計算採用該中繼距離時，單跳鏈路的能耗步驟a:由 Pt(r) = 101ogB(r)+N(f。(r))+TL+χ - ξ+SNRtgt 計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)為對應中繼距離r的最佳工作頻率，
權利要求
1.一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置，其特徵在於包括一個水聲信號接收裝置、若干個中繼器和一個隔水管疲勞監測裝置；所述隔水管疲勞監測裝置處於隔水管待檢測部位，隔水管疲勞監測裝置包括疲勞信號傳感器、信源編碼器、信道編碼器、信號調製器、功率放大器、控制器、水聲發射換能器和電源，由疲勞信號傳感器測量得到的疲勞參數信號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，經過編碼的信號，進入信號調製器，調製後的信號經過功率放大器放大後，由水聲發射換能器轉換為聲信號並發射，控制器控制隔水管疲勞監測裝置的工作過程；水聲信號接收裝置處於海面以下，與海面平臺相連， 水聲信號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轉換為電信號，電信號經過濾波和功率放大後傳遞給外部監控分析系統； 中繼器處於水聲信號接收裝置和隔水管疲勞監測裝置之間，並沿隔水管等距離分布，距隔水管疲勞監測裝置最近的中繼器首先接受來自隔水管疲勞監測裝置的聲信號，並對接受信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，所有餘下的中繼器依次對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給下一個相鄰的中繼器，距水聲信號接收裝置最近的中繼器對上一個中繼器發出的聲信號進行解碼糾錯後編碼轉發給水聲信號接收裝置。
2.根據權利要求1所述的一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置，其特徵在於相鄰中繼器之間距離採用最優中繼距離。
3.一種計算權利要求2中最優中繼距離的方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 確定中繼距離的集合Ovr2,…，rn)，其中中繼距離範圍為d彡！·彡D/2，其中 D為傳輸距離，D是中繼距離的整數倍，d彡0. 1km，對於每個中繼距離T1，採用下列步驟計算採用該中繼距離時，單跳鏈路的能耗步驟a:由Pt (r) = IOlogB (r)+N (f。(r))+TL+χ-ξ+SNRtgt計算單跳鏈路的最低傳輸功率Pt(r)，其中r為中繼距離，B(r)為信道可用帶寬，& (r)為對應中繼距離r的最佳工作頻率，N(f)為海洋環境噪聲，TL為聲波在聲場中的平均傳播損失，SNRtgt為接收端信噪比，ξ 為接收端信號處理過程中的懲罰因子，χ為邊際因子；步驟b 由/rVhio"—8A7計算單跳鏈路的最低傳輸電功率if'(r)，η是電路的全局效率；步驟C 由^^(幻={Pr + ([)μ計算單跳鏈路的能耗，其中為接收功率，L為數據包aB(r)長，α為帶寬的利用率；步驟2 根據步驟1得到的對應每個中繼距離A的單跳鏈路能耗Eh。p(ri)，計算對應每個中繼距離巧的總傳輸功耗為Esmbl = Ehop (Γι) X (DzV1)，得到總傳輸功耗集合(Esum,Esim, 2，…，Esum,n)，取對應min(ESUffl,^Esmu2,…，Esim,n)的中繼距離為最優中繼距離。
全文摘要
本發明提出了一種隔水管疲勞參數測量傳輸裝置及最優中繼距離計算方法，其中裝置包括一個水聲信號接收裝置、若干個中繼器和一個隔水管疲勞監測裝置，隔水管疲勞監測裝置檢測疲勞信號並傳播給中繼器，經過中繼器多次傳遞後，疲勞信號傳遞給水聲信號接收裝置。通過計算不同中繼距離單跳鏈路的能耗，計算採用不同中繼距離時的總傳輸能耗，從而對比出對應總傳輸能耗最低的最優中繼距離。本發明採用中繼器縮短了信號傳輸距離，降低單跳距離的傳輸功耗，並且存在一個最佳距離範圍，使本發明總傳輸能耗最低。
文檔編號H04B13/02GK102426773SQ201110257780
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者張育芝, 李保軍, 王海燕, 申曉紅, 白衛崗, 白峻, 趙瑞琴, 閆永勝, 陳釗 申請人:西北工業大學