一种基于水下机器人平台的海上溢油厚度检测装置及方法

本发明属于海上溢油检测，具体说是一种基于水下机器人平台的海上溢油厚度检测装置及方法。

背景技术：

1、随着我国深海油气资源开采力度的增大以及海上原油输送依赖度的增强，我国面临的海上溢油风险在逐年增大。海上溢油污染事故不仅造成严重的经济损失，而且对海洋资源和海洋生态环境系统造成难以修复的损害，已经成为危害海洋生态环境的重要因素之一。针对海上溢油无论采用何种处置手段都需要首先对溢油厚度进行检测以确定溢油量，因此针对海面漂浮的溢油层厚度精准测量是该领域一项重要研究内容。

2、目前国内外针对溢油厚度检测方法和技术开展了大量的实验研究，包括红外高光谱、高分辨遥感卫星、激光超声、天线电阻等技术。然而总体而言上述技术主要集中在实验室技术验证阶段，尚未开展大规模模拟实测环境下的测试实验，且都存在一定技术局限性，例如激光超声测量方法极易受到风浪、洋流波动等自然因素的影响，导致测量结果的精度较低；红外高光谱、高分辨遥感等技术只能针对较薄的油膜(<1毫米)厚度进行测量，无法对较厚油层的厚度进行精准测量。因此开发一种能够实际应用的溢油层厚度检测装置是本领域的一项重大需求。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种以水下机器人为平台基于超声检测技术的海上溢油厚度精准检测装置，该装置能够快速地对溢油层厚度进行检测，且检测精度较高，以克服上述海上溢油检测方法的缺陷。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于水下机器人平台的海上溢油厚度检测装置，包括：超声信号处理单元、水下机器人操控单元、水下机器人平台以及设置在水下机器人平台上的超声波测量单元、定位导航单元以及控制单元；

3、所述超声波测量单元，用于接收从海上油层上表面和下表面反射回来的超声信号经控制单元发送至超声信号处理单元；

4、所述定位导航单元，采用声学定位装置，用于对水下机器人平台在水下位置的定位，并实时记录水下机器人平台的位置信息和运动轨迹，通过控制单元发送至水下机器人操控单元进行实时显示；

5、所述控制单元，用于根据水下机器人操控单元发送的运动指令对水下机器人平台进行运动控制；接收超声波测量单元发送的超声信号进行预处理，通过信号传输线缆发送至超声信号处理单元；还接收定位导航单元的实时记录水下机器人平台的位置信息和运动轨迹，并发送至水下机器人操控单元进行实时显示；

6、所述水下机器人操控单元设于水面上方，用于通过信号传输线缆实时接收定位导航单元反馈的水下机器人平台的位置信息和运动轨迹，对水下机器人平台进行实时显示；并根据任务需要，向控制单元发送运动指令，对水下机器人平台的运动实时控制；

7、所述水下机器人操控单元向控制单元发送控制指令，控制超声波测量单元发射和接收超声信号；

8、超声信号处理单元设于水面上方，用于收集超声波测量单元采集到的超声信号进行存储，并采用超声信号处理算法对信号进行分析处理，获取油层的厚度。

9、所述超声波测量单元，包括：超声发射与接收器以及超声探头；

10、所述超声发射与接收器设于水下机器人平台内；且分别与超声探头和控制单元连接；

11、所述超声探头设于水下机器人平台顶部，超声探头有一个或多个，且超声探头的发射方向垂直于水面。

12、所述超声探头为水浸式非聚焦超声探头，且工作中心频率为1.0mhz～15mhz。

13、所述超声发射与接收器为至少具有一个通道的超声仪，超声仪的工作频率为1.0mhz～20mhz。

14、所述水下机器人平台设置于距离水面的深度小于2m。

15、所述超声信号处理单元，包括：顺次连接的存储?？?、信号处理?？橐约翱墒踊？?；

16、所述存储?？?，用于接收超声波测量单元发送的超声信号，并进行储存，等待信号处理?？榈饔?；

17、所述信号处理?？?，用于调用存储于存储?？橹械某藕?，对超声信号进行解析，计算单位置点或多位置点的油层厚度；将单位置点的油层厚度发送至可视化?？榻邢允?，将多位置点的油层厚度结合定位导航数据得到溢油覆盖区域油层厚度分布图，发送至可视化?？榻惺凳毕允?。

18、一种基于水下机器人平台的海上溢油厚度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

19、s1：超声测量单元通过超声探头发射超声波并收集从油层上表面和下表面反射回来的超声信号，同时定位导航单元记录水下机器人平台在该点处的位置信息，并发送至控制单元；

20、s2：控制单元通过的信号传输线缆将收集到的超声信号以及水下机器人的位置信息分别传输至超声信号处理单元和水下机器人操控单元进行存储；

21、s3：超声信号处理单元采用超声信号处理算法对超声信号进行信号处理，获取超声波在油层中一次往返传播时间δt，根据超声波在油层中一次往返传播时间δt，得到油层的厚度；

22、s4：水下机器人操控单元控制水下机器人平台运动，同时，超声测量单元对指定溢油覆盖区域进行扫查，收集各点的超声反射信号，定位导航单元对水下机器人的位置进行定位控制，对各点的位置信息、运动轨迹进行追踪记录，实现对特定溢油覆盖区域的扫查；

23、s5：控制单元将超声数据、以及水下机器人位置信息分别实时回传到超声信号处理单元和水下机器人操控单元进行存储，并通过超声信号处理单元计算各位置点的油层厚度，结合定位导航数据得到溢油覆盖区域油层厚度分布图。

24、在超声信号处理单元收集从油层上表面和下表面反射回来的超声信号时，采用设定的超声发射频率在每个位置点发射并收集多个超声信号，超声信号处理单元获得多个油层厚度数据，并在设定时间范围内计算油层厚度平均值和标准差值，利用油层厚度统计数据表征该位置的油层厚度。

25、步骤s3中，当超声信号处理算法采用峰-峰值法，具体为：

26、通过分别计算超声波在油层上表面和下表面的反射信号幅值所对应的时间点的差值，计算超声波在油层中一次往返的传播时间为：

27、δt＝t2-t1

28、其中，t2和t1分别为油层上表面、下表面信号的峰值所对应的时间点；

29、根据超声波在油层中一次往返传播时间δt，得到油层的厚度，即：

30、d＝v·δt/2

31、其中，v为超声波在溢油层中的传播速度，δt为超声波在油层中的一次往返的传播时间。

32、步骤s3中，当超声信号处理算法采用二次相关法，具体为：

33、(1)采用两个时间门分别提取油层上表面和下表面的超声反射信号；

34、(2)对油层下表面的反射信号进行自相关运算，得到自相关信号；并将油层下表面反射信号与油层上表面反射信号进行一次互相关运算，得到一次互相关信号；

35、(3)对自相关信号和一次互相关信号进行二次互相关运算，得到的二次互相关信号的峰值所对应的时间点即超声波在油层中一次往返传播时间δt；

36、(4)根据超声波在油层中一次往返传播时间δt，得到油层的厚度，即：

37、d＝v·δt/2

38、其中，v为超声波在溢油层中的传播速度，δt为超声波在油层中的一次往返的传播时间。

39、本发明具有以下有益效果及优点：

40、1.本发明采用测量超声技术通过测量超声波在油层中的传播时间乘以超声波在油层中传播速度得到油层的厚度，能够实现对厚油层的精准测量；

41、2.本发明采用水下机器人平台从水下对油层厚度进行测量，可以降低风浪等自然环境因素对测量精度的影响，提高测量精度；

42、3.本发明采用水下机器人平台不仅能够开展油层厚度单点原位检测，同时也能够对一个区域快速扫查得到油层厚度的分布图；

43、4.本发明克服了现有检测技术和方法无法对较厚油膜厚度精准检测的难题，为海上溢油量的测量、溢油处置方案制定奠定技术基础。