新型無線測量海底鉆頭方位的方法和系統介紹

蔣哲?周東榮?王曉朋?周怡和

摘? 要：介紹一種新型規避干擾的無線測量海底鉆頭方位的方法和系統。

關鍵詞：海底鉆頭；方位測量；規避干擾；無線

0 引 言

在海底沉船打撈過程中，鋼絲繩穿越沉船底部是比較關鍵的步驟，其準確性和快速性也影響了沉船打撈所花費的成本。將管道施工中的水平定向鉆技術使用到海底鋼絲繩穿越領域是一個比較可行的方法，已經在淺海沉船打撈中有所使用，但是在深海和大沉船中并不多見，這其中一個比較關鍵的問題就是穿越過程中鉆頭位置的實時定位。通常的做法是將鉆頭中的探棒簡化為磁偶極子，利用磁場的傳播模型，通過測量三維磁場數據來確定鉆頭的位置和方向，但是如果沉船為大型剛體金屬結構，則磁偶極子的磁場傳播路徑將受到嚴重影響，這導致鉆頭定位的不準確。

文獻[1-2]中提到在海底磁性物質探測領域，一般情況下都是利用布設探測測線來進行，根據目標磁場的分布特征確定磁測線， 但是大沉船上方布線基本不可行；文獻[3]將磁性目標分為橫向固有磁矩、橫向感應磁矩、縱向固有磁矩、縱向感應磁矩，建立磁偶極子模型，進行多次測量后利用最小二乘法計算；文獻[4]建立海底電纜的磁場模型，通過五根磁場探測線圈的不同組合，獲取海底電纜偏距、深度等信息，這都是針對單磁偶極子進行的測量。文獻[5] 通過建立網格化的三維測量天線，以掃描方式探測航天器內部的磁性物體，可以通過測量計算點的密集程度來判斷磁性點的位置，具體使用的算法為磁場的歐拉反算法，可以對空間中多磁偶極子進行辨識。

1 定位方案設計

定向鉆施工過程中的鉆頭探棒將實時信息調制后，以電磁波形式進行數據的發送，其本身是一個磁偶極子磁源。當探棒位于沉船底部時，金屬剛體的沉船將被磁場磁化，形成二次磁源，而二次磁源也將發送信息，由于磁場使用的頻率為極低頻，所以兩者的數據相位基本重合，這樣，磁場的傳播進行了疊加，傳播規律發生了改變，將無法確定探棒的方位。不過，通過分析我們可以得出該場景可以模擬成多磁源環境中尋找某個磁場最大的磁源的問題。

在單磁源定位領域，使用磁場梯度法進行定位所使用的公式為：

G（r-r0）=-3H

其中r0磁源的xyz坐標為，r為測量點的xyz坐標，G為磁場的梯度張量

Bxx Bxy Bxz

G=Byx Byy Byz

Bzx Bzy Bzz

H為r點的磁場強度數據。通過測得某點的磁場梯度張量和磁場強度數據，即可以計算出磁源的位置。由于：

Bxx+Byy+Bzz=0

Bxy=Byx; Byz=Bzy; Bzx=Bxz

所以計算某一點的磁場梯度，只需要與其最近的4個測點和中心點的磁場數據即可，設計磁場測量的天線陣列如圖1所示。

該天線陣在多磁源環境下，將得出離測點磁場強度最大的一個點位置。

為了能對多磁源進行分辨，需要在探測平面內布置多組測點，如圖2所示。

2 儀器設計

普通水平定向鉆所使用的導向儀為，其中天線的樣子為三維正交天線，即可以同時測量xyz3個方向上的磁場信號，見圖3。

本次設計中使用了5組三維正交天線，即形成十字正交天線陣列，處理界面見圖4。

處理方法為：通過1次測量即可獲得離該測量點磁場最大的磁源的位置，前后左右移動接收機，尋找距離最小的位置即為探棒的最上方，并可以通過軌跡法判斷出鉆頭的前進法方向。

3 結 論

通過上述方式，可以有效解決海底鉆頭方位測量時受金屬和海水干擾吸收的問題，具有許多有利于測量作業的優勢。

參考文獻

[1] 王傳雷，路維民，王洪松，等.磁法探測木質沉船的應用實例[J].物探與化探，2018，42（2）：708-711.

[2] 邊剛，劉雁春，婓文斌，等.海洋工程中磁性物質探測時探測間距和探測深度的確定[J].海洋技術，2008，27（2）：41-46.

[3] 楊慶宇，趙俊生，邊剛，等.基于最小而成的磁性目標磁矩確定方法[J].海洋測繪，2019，39（4）：36-40.

[4] 周鵬，曾捷，梁大開，等.五棒式邊長可調整海纜探測天線陣及其探測方法[J].儀器儀表學報，2013，34（3）：657-663.

[5] 陳俊杰，易忠，孟立飛，等.基于歐拉方法的多磁偶極子分辨技術[J]航天器環境工程，2013，30（4）：401-406.