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基于工频磁特征的近岸海底电缆UAV航磁定位方法

孙运坤 李尤 曹向东 陈美 张雷 李明跃 赵杰 韩琦

孙运坤, 李尤, 曹向东, 等. 基于工频磁特征的近岸海底电缆UAV航磁定位方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0083
引用本文: 孙运坤, 李尤, 曹向东, 等. 基于工频磁特征的近岸海底电缆UAV航磁定位方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0083
SUN Yunkun, LI You, CAO Xiangdong, CHEN Mei, ZHANG Lei, LI Minyue, ZHAO Jie, HAN Qi. Unmanned Aerial Vehicle Aeromagnetic Positioning Method for Nearshore Submarine Cables Based on Power Frequency Magnetic Characteristics[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0083
Citation: SUN Yunkun, LI You, CAO Xiangdong, CHEN Mei, ZHANG Lei, LI Minyue, ZHAO Jie, HAN Qi. Unmanned Aerial Vehicle Aeromagnetic Positioning Method for Nearshore Submarine Cables Based on Power Frequency Magnetic Characteristics[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0083

基于工频磁特征的近岸海底电缆UAV航磁定位方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0083
基金项目: 海底铁磁性体磁法探测技术研究项目资助(ZKY2024-HDYT-02-04).
详细信息
    作者简介:

    孙运坤(1989-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为海洋地球物理勘探

  • 中图分类号: TJ630.34; U674

Unmanned Aerial Vehicle Aeromagnetic Positioning Method for Nearshore Submarine Cables Based on Power Frequency Magnetic Characteristics

  • 摘要: 针对近岸海底电缆“最后一公里”高精度探测与定位的技术瓶颈, 本研究提出融合工频磁场特征解析的无人机(UAV)航磁综合探测方法。首先建立海底电缆工频磁场正演模型, 通过数值模拟揭示电缆工频磁特征信号的传播衰减规律; 其次, 创新性构建基于工频磁特征的频域信号提取算法, 有效提升强环境噪声背景下弱磁信号的识别精度; 继而提出结合地磁方向的逆向解析定位方法, 实现海底电缆走向的米级空间反演。实验采用自主研发的旋翼式超低空(飞行高度1 m)磁测UAV系统, 在温州近岸海域开展实测验证。结果表明: 系统在潮间带复杂地形条件下进行工频磁特征的航空磁探测作业, 通过对比分析发现, 工频特征定位法较常规磁异常定位法在近岸浅水区具有显著优势, 其定位误差不超过1.8 m, 可准确追踪电缆埋设路径。本研究为海底电缆工程巡检与定位提供了新的技术范式。

     

  • 图  1  局部坐标系示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of local coordinate system

    图  2  铠装层横截面示意图

    Figure  2.  Cross-sectional diagram of the armor layer

    图  3  铠装层周围磁场分布示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of the magnetic field distribution around the armor layer

    图  4  交流电缆中的时域电流

    Figure  4.  Time-domain current in alternating current cables

    图  5  交流电缆上方测线中的磁场

    Figure  5.  The magnetic field in the measurement line above the AC cable

    图  6  交流电缆上方测线中的磁场时间序列

    Figure  6.  The time series of the magnetic field in the measurement line above the alternating current cable

    图  7  UAV航磁探测系统

    Figure  7.  UAV aeromagnetic detection system

    图  8  UAV航磁探测系统中的传感器和采集器

    Figure  8.  Sensors and collectors in the UAV aeromagnetic detection system

    图  9  坐标位置平滑预处理

    Figure  9.  Smooth preprocessing of coordinate positions

    图  10  传感器位置滞后修正预处理

    Figure  10.  Preprocessing of sensor position lag correction

    图  11  典型电缆走向时信号形态与定位关系

    Figure  11.  The relationship between signal morphology and positioning in typical cable directions

    图  12  不同电缆走向时信号上包络与定位关系

    Figure  12.  The relationship between upper envelope and positioning of signals with different cable routing

    图  13  不同电缆走向时信号峰峰值与距离关系

    Figure  13.  The relationship between peak-to-peak value and distance of signals with different cable routing

    图  14  仿真信号与实测信号时间序列对比

    Figure  14.  Comparison of time series between simulated signals and measured signals

    图  15  仿真信号与实测信号空间分布对比

    Figure  15.  Comparison of the spatial distribution of simulated signals and measured signals

    图  16  UAV测线设计

    Figure  16.  Design of UAV survey lines

    图  17  预处理后的位置-磁场对应图

    Figure  17.  The position-magnetic field correspondence diagram after preprocessing

    图  18  结合实测数据的电缆与探头距离和信号值估计

    Figure  18.  The distance between the cable and the probe and estimation signal based on measured data

    图  19  估计电缆位置

    Figure  19.  Estimate the position of the cable

    图  20  估计电缆位置和真实位置对比

    Figure  20.  Comparison of estimated cable position and actual position

    表  1  UAV基本参数

    Table  1.   Parameters of the UAV

    参数指标
    轴距/mm1 600
    自重(无电池)/kg5
    续航时间55 min@3 kg载荷
    最大速度/m/s15
    探杆总长度(展开作业)/m4.8
    单个探杆长度(折叠收纳)/m1.2
    下载: 导出CSV

    表  2  深度-信号幅值衰减曲线对应参数

    Table  2.   The corresponding parameters of the depth-signal magnitude attenuation curve

    参数 数值
    $ p\left(1\right) $ −0.671 0
    $ p\left(2\right) $ 11.838 5
    $ p\left(3\right) $ −71.536 2
    $ p\left(4\right) $ 155.688 2
    下载: 导出CSV

    表  3  估计位置和实测位置结果

    Table  3.   Estimated position and measured position results

    估计X/m 估计Y/m 实测X/m 实测Y/m 误差/m
    84.30 35.58 83.56 35.82 0.78
    81.76 41.41 80.00 41.25 1.76
    75.20 47.44 74.84 47.85 0.54
    64.63 61.79 62.89 61.65 1.75
    53.78 68.69 53.50 69.14 0.53
    48.52 81.31 46.97 81.22 1.55
    38.87 89.73 38.47 90.17 0.59
    28.80 102.27 27.04 102.14 1.76
    21.56 109.29 21.40 109.85 0.58
    13.80 123.78 12.34 123.78 1.46
    4.70 132.54 4.75 133.21 0.67
    −2.43 146.68 −4.03 146.71 1.61
    −7.68 147.45 −7.28 148.27 0.92
    −12.10 155.64 −11.99 156.29 0.66
    −15.62 161.85 −16.84 161.60 1.25
    −21.02 167.40 −22.55 167.23 1.54
    −29.34 172.13 −28.67 173.16 1.23
    −42.47 186.20 −43.21 186.24 0.75
    −50.98 193.17 −50.49 194.04 1.00
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-02
  • 修回日期:  2025-08-21
  • 录用日期:  2025-09-26
  • 网络出版日期:  2026-01-07
图(20) / 表(3)

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