专利名称：转动型海洋地震拖缆位置控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋地震拖缆位置控制装置，尤其是一种应用在海洋地震拖缆中
部的转动型海洋地震拖缆位置控制器，属于海洋地震勘探技术领域。
背景技术：
海洋地震勘探系统通常由海洋地震勘探船、地震源、海洋地震拖缆和拖缆位置控 制装置组成。海洋地震勘探船通常为一艘或数艘水面船舶。地震源通常为气枪或阵列气枪。 海洋地震拖缆，通常为一根或数根长约数千米的水下电缆，其内部安装有水听器阵列，用于 接收地震反射波。拖缆位置控制装置用于控制海洋地震拖缆的位置，按照安装位置，其可以 划分为缆首导向器、拖缆位置控制器和缆尾浮标，分别用于对拖缆首部、中部和尾部的位置 控制。 在海洋地震勘探过程中，地震源和海洋地震拖缆由海洋地震勘探船拖曳，以3-5 节的航速航行。地震源以一定时间间隔发射，产生的地震波通过海水传播至海底地质构造 中，在两种地层的分界面上发生反射，地震反射波由安装在拖缆中的水听器阵列接收，形成 地震数据。将上述地震数据连同拖缆的位置数据输入海洋地震数据解释系统中，便可以得 到目标海域的海底地质构造。 海洋地震拖缆的中部通常处于水下航行状态，为控制拖缆中部的位置，通常在拖 缆中部以一定间隔安装拖缆位置控制器。拖缆位置控制器上通常安装有水翼。当拖缆位置 控制器相对水流运动时，水翼能够产生一个垂直于其翼面的升力。拖缆位置控制器通过控 制上述升力的大小、方向实现对拖缆中部位置的控制。 已有技术中，专利号为6016286的美国专利公开了一种拖缆位置控制器。该拖缆 位置控制器通过连接器固定安装在拖缆的外部，以一台电动机按照指令驱动对称安装的两 只水翼转动，同步调整两只水翼的攻角，使其在垂直方向上产生所需的升力，从而实现对拖
缆中部垂直位置的控制。但该拖缆位置控制器仅能实现对拖缆中部垂直位置的控制，而不 能实现对拖缆中部水平位置的控制。而且，安装在拖缆外部的拖缆位置控制器会产生较大 的水流流动噪声，干扰临近的水听器阵列；安装在拖缆外部的拖缆位置控制器由电池供电， 需要定期更换电池。 专利号为7092315B2的美国专利公开了一种拖缆位置控制器。该拖缆位置控制 器通过连接器固定安装在拖缆的外部，以一台电动机按照指令驱动对称安装的两只水翼转 动，同步调整两只水翼的攻角，使其在水平方向上产生所需的升力，从而实现对拖缆中部水 平位置的控制。但该拖缆位置控制器仅能实现对拖缆中部水平位置的控制，而不能实现对 拖缆中部垂直位置的控制。而且，安装在拖缆外部的拖缆位置控制器会产生较大的水流流 动噪声，干扰临近的水听器阵列；安装在拖缆外部的拖缆位置控制器由电池供电，需要定期 更换电池。 专利号为7162967B2的美国专利公开了一种拖缆位置控制器。该拖缆位置控制器 通过连接器同轴、等直径地嵌装在拖缆中，以两台电动机按照指令驱动对称安装的两只水翼转动，分别调整两只水翼的攻角，使两只水翼产生相等或不等的所需升力。该拖缆位置控 制器的特征在于利用由两只水翼的升力差产生的转动力矩驱动拖缆位置控制器及其首、尾 端附近的拖缆绕其轴线转动。当该拖缆位置控制器转动至所需角度时，分别调整两只水翼 的攻角，使其攻角相同并产生所需升力。将上述升力向垂直、水平方向分解，便可以产生垂 直、水平方向的所需升力，从而实现对拖缆中部垂直、水平位置的控制。而且，嵌装在拖缆中 的拖缆位置控制器可以有效降低水流流动噪声；嵌装在拖缆中的拖缆位置控制器由拖缆供 电，无需定期更换电池。但是，该专利所述的拖缆位置控制器是利用两只水翼的升力差产生 的转动力矩驱动其转动，导致拖缆位置控制复杂度高、精度低。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种应用在海洋地震拖缆中部的 转动型拖缆位置控制器。 本发明是通过下述技术方案实现的。本发明包括本体、转动体、水翼、控制模块、测 量模块、通讯模块、电源模块、转动驱动模块、水翼驱动模块、转动传动机构、水翼传动机构、 本体电缆水密接头、转动体电缆水密接头和连接电缆。本体嵌装在拖缆中。本体是由工程塑 料或合金材料制成的圆柱形壳体。本体包括本体前部、本体中部和本体后部。本体前部的 直径与拖缆直径相等，并与前段拖缆固定、水密连接。来自前段拖缆中的数据电缆、供电电 缆通过水密连接面进入本体中，以传输指令、数据，供电。控制模块、测量模块、通讯模块和 电源模块均安装在本体前部内。本体后部的直径与拖缆直径相等，并与后段拖缆固定、水密 连接。来自本体中的数据电缆、供电电缆通过水密连接面进入后段拖缆中。本体后部内安 装有配重，用以调节拖缆位置控制器的重心位置。本体中部的直径小于拖缆直径。转动体 安装在本体中部的外侧。转动体由工程塑料或合金材料制成。转动体的上部为实体结构， 下部为壳体结构。转动驱动模块和水翼驱动模块分别安装在转动体下部壳体中的两个水密 封装体内。水翼安装在转动体的外侧。转动传动机构，包括转动传动机构传动轴、两只轴 承、转动中心齿轮和转动行星齿轮。转动传动机构传动轴的一端与转动驱动模块的输出轴 轴连，另一端固定安装有转动行星齿轮。两只轴承和转动中心齿轮安装在本体中部的外侧。 转动中心齿轮和转动行星齿轮通过转动体下部的啮合孔啮合。水翼传动机构包括水翼传动 机构传动轴、水翼轴、丝杠螺母、丝杠螺母传动轴和连杆。水翼传动机构传动轴的一端与水 翼驱动模块的输出轴轴连，另一端表面有螺纹，安装有丝杠螺母。丝杠螺母与丝杠螺母传动 轴固接。连杆的一端与水翼轴固接，另一端有连杆孔。丝杠螺母传动轴穿过连杆孔，在连杆 孔内移动。水翼轴由水翼轴承支撑，连杆和水翼轴同时转动。转动体是通过两只轴承和转 动中心齿轮安装在本体中部外侧的。水翼是通过水翼轴安装在转动体外侧的。本体电缆水 密接头安装在本体前部的后端面上，转动体电缆水密接头安装在转动体的前端面上。连接 电缆位于本体电缆水密接头和转动体电缆水密接头之间。 转动驱动模块包括转动电动机驱动器、转动电动机、减速装置和位置指示器。转动 电动机转动时，转动驱动模块的输出轴将转动传递给转动传动机构传动轴，转动传动机构 传动轴带动固定安装在其上的转动行星齿轮自转，同时绕转动中心齿轮公转，进而导致转 动体绕本体转动。水翼驱动模块包括水翼电动机驱动器、水翼电动机、减速装置和位置指示 器。当水翼电动机转动时，水翼驱动模块的输出轴将转动传递给水翼传动机构传动轴，水翼传动机构传动轴转动使丝杠螺母在水翼传动机构传动轴上前后移动，使丝杠螺母传动轴在 连杆孔内移动，并向连杆施加力，带动连杆、水翼轴同时转动，进而导致水翼绕水翼轴转动。
从安装在本体中的控制模块和电源模块中弓I出的数据电缆和供电电缆通过本体 电缆水密接头和转动体电缆水密接头进入转动体中，以传输指令、数据，供电。在本体电缆 水密接头和转动体电缆水密接头之间的连接电缆预留冗余长度，以保证连接电缆在转动体 转至最大角度时仍处于松弛状态。连接电缆采用防水、耐腐蚀电缆。 海水会通过转动行星齿轮和转动中心齿轮在转动体下部的啮合孔进入转动体内， 使转动体内电缆、转动传动机构和水翼传动机构浸水，故采用防水、耐腐蚀电缆，转动传动 机构和水翼传动机构也由防水、耐腐蚀的材料制成。 本发明拖缆位置控制器使用转动驱动模块驱动转动体绕本体转动；使用水翼驱动 模块同时驱动两只水翼绕水翼轴转动。转动体绕本体转动，导致安装在转动体上的水翼随 转动体相对本体转动，从而改变水翼产生的升力的方向；水翼绕水翼轴转动，导致水翼攻角 发生变化，从而改变水翼产生的升力的大小，以此实现对海洋地震拖缆中部垂直、水平位置 的控制。 本发明拖缆位置控制器与海洋地震勘探船船载系统配合工作。拖缆位置控制器的
理想位置由船载系统计算得出，并发至拖缆位置控制器中。拖缆位置控制器的实际位置由
拖缆位置控制器的测量模块测得。当拖缆位置控制器及附近拖缆受到扰动偏离理想位置
时，拖缆位置控制器的控制模块建立由实际位置指向理想位置的直线恢复路径，并控制转
动驱动模块驱动转动体转至所需角度，使水翼产生的升力沿该恢复路径方向，同时根据理
想位置和实际位置的偏差值，使用PID策略控制水翼驱动模块调整水翼的攻角，以调整水
翼产生的升力的大小，以此推动拖缆位置控制器及附近拖缆恢复到理想位置。
本发明的有益效果为本发明实现了对拖缆中部垂直、水平位置的控制；通过采
用嵌入拖缆中的安装方式，降低了水流流动噪声，减少了对临近水听器阵列的干扰；通过采
用拖缆供电的供电方式，降低了制造和使用成本；通过采用直接方式控制水翼产生的升力
的方向、大小，有效地提高了拖缆位置控制的精度，同时显著地降低了拖缆位置控制的复杂度。
图1是本发明拖缆位置控制器的结构示意图； 图2是本发明拖缆位置控制器本体的结构示意图； 图3是本发明拖缆位置控制器转动体的结构示意图； 图4A是本发明拖缆位置控制器水翼传动机构结构的主视示意图。 图4B是本发明拖缆位置控制器水翼传动机构结构的侧视示意图。 图中1是拖缆，2是本体，3是转动体，4是水翼，5是本体前部，6是本体中部，7是
本体后部，8是轴承，9是转动中心齿轮，10是转动驱动模块，11是转动传动机构传动轴，12
是转动行星齿轮，13是丝杠螺母，14是水翼传动机构传动轴，15是水翼驱动模块，16是转动
体电缆水密接头，17是本体电缆水密接头，18是连接电缆，19是水翼轴，20是连杆，21是丝
杠螺母传动轴，22是连杆孔。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。 如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括本体2、转动体3、水翼4、控制模块、测量 模块、通讯模块、电源模块、转动驱动模块10、水翼驱动模块15、转动传动机构、水翼传动机 构、本体电缆水密接头17、转动体电缆水密接头16和连接电缆18。本体2嵌装在拖缆1中。 本体2是由工程塑料或合金材料制成的圆柱形壳体。本体2包括本体前部5、本体中部6和 本体后部7。本体前部5的直径与拖缆1的直径相等，并与前段拖缆固定、水密连接。来自 前段拖缆中的数据电缆、供电电缆通过水密连接面进入本体2中，以传输指令、数据，供电。 控制模块、测量模块、通讯模块和电源模块均安装在本体前部5内。本体后部7的直径与拖 缆1的直径相等，并与后段拖缆固定、水密连接。来自本体2中的数据电缆、供电电缆通过 水密连接面进入后段拖缆中。本体后部7内安装有配重，用以调节拖缆位置控制器的重心 位置。本体中部6的直径小于拖缆1的直径。转动体3安装在本体中部6的外侧。转动体 3由工程塑料或合金材料制成。转动体3的上部为实体结构，下部为壳体结构。转动驱动模 块10和水翼驱动模块15分别安装在转动体3下部壳体中的两个水密封装体内。水翼4安 装在转动体3的外侧。转动传动机构，包括转动传动机构传动轴11、两只轴承8、转动中心 齿轮9和转动行星齿轮12。转动传动机构传动轴11的一端与转动驱动模块10的输出轴轴 连，另一端固定安装有转动行星齿轮12。两只轴承8和转动中心齿轮9安装在本体中部6 的外侧。转动中心齿轮9和转动行星齿轮12通过转动体3下部的啮合孔啮合。水翼传动 机构包括水翼传动机构传动轴14、水翼轴19、丝杠螺母13、丝杠螺母传动轴21和连杆20。 水翼传动机构传动轴14的一端与水翼驱动模块15的输出轴轴连，另一端表面有螺纹，安装 有丝杠螺母13。丝杠螺母13与丝杠螺母传动轴21固接。连杆20的一端与水翼轴19固 接，另一端有连杆孔22。丝杠螺母传动轴21穿过连杆孔22，在连杆孔22内移动。水翼轴 19由水翼轴承支撑，连杆20和水翼轴19同时转动。转动体3是通过两只轴承8和转动中 心齿轮9安装在本体中部6外侧的。水翼4是通过水翼轴19安装在转动体3外侧的。本 体电缆水密接头16安装在本体前部5的后端面上，转动体电缆水密接头17安装在转动体 3的前端面上。连接电缆18位于本体电缆水密接头16和转动体电缆水密接头17之间。
转动驱动模块10包括转动电动机驱动器、转动电动机、减速装置和位置指示器。 转动电动机转动时，转动驱动模块10的输出轴将转动传递给转动传动机构传动轴ll，转动 传动机构传动轴11带动固定安装在其上的转动行星齿轮12自转，同时绕转动中心齿轮9 公转，进而导致转动体3绕本体2转动。水翼驱动模块1 5包括水翼电动机驱动器、水翼电 动机、减速装置和位置指示器。当水翼电动机转动时，水翼驱动模块15的输出轴将转动传 递给水翼传动机构传动轴14，水翼传动机构传动轴14转动使丝杠螺母13在水翼传动机构 传动轴14上前后移动，使丝杠螺母传动轴21在连杆孔22内移动，并向连杆20施加力，带 动连杆20、水翼轴19同时转动，进而导致水翼4绕水翼轴14转动。 从安装在本体2中的控制模块和电源模块中引出的数据电缆和供电电缆通过本 体电缆水密接头17和转动体电缆水密接头16进入转动体3中，以传输指令、数据，供电。在 本体电缆水密接头17和转动体电缆水密接头16之间的连接电缆18预留冗余长度，以保证 连接电缆18在转动体3转至最大角度时仍处于松弛状态。连接电缆18采用防水、耐腐蚀 电缆。
海水会通过转动行星齿轮12和转动中心齿轮9在转动体3下部的啮合孔进入转 动体3内，使转动体3内电缆、转动传动机构和水翼传动机构浸水，故采用防水、耐腐蚀电 缆，转动传动机构和水翼传动机构也由防水、耐腐蚀的材料制成。 本发明拖缆位置控制器使用转动驱动模块10驱动转动体3绕本体2转动；使用水 翼驱动模块15同时驱动两只水翼4绕水翼轴19转动。转动体3绕本体2转动，导致安装 在转动体3上的水翼4随转动体3相对本体2转动，从而改变水翼4产生的升力的方向；水 翼4绕水翼轴19转动，导致水翼4攻角发生变化，从而改变水翼4产生的升力的大小，以此 实现对海洋地震拖缆中部垂直、水平位置的控制。 本发明拖缆位置控制器与海洋地震勘探船船载系统配合工作。拖缆位置控制器的 理想位置由船载系统计算得出，并发至拖缆位置控制器中。拖缆位置控制器的实际位置由 拖缆位置控制器的测量模块测得。当拖缆位置控制器及附近拖缆受到扰动偏离理想位置 时，拖缆位置控制器的控制模块建立由实际位置指向理想位置的直线恢复路径，并控制转 动驱动模块10驱动转动体3转至所需角度，使水翼产生的升力沿该恢复路径方向，同时根 据理想位置和实际位置的偏差值，使用PID策略控制水翼驱动模块15调整水翼4的攻角， 以调整水翼4产生的升力的大小，以此推动拖缆位置控制器及附近拖缆恢复到理想位置。
权利要求
一种转动型海洋地震拖缆位置控制器，包括本体(2)、转动体(3)、水翼(4)、控制模块、测量模块、通讯模块、电源模块、转动驱动模块(10)、水翼驱动模块(15)、转动传动机构、水翼传动机构、本体电缆水密接头(17)、转动体电缆水密接头(16)和连接电缆(18)其特征在于本体(2)嵌装在拖缆(1)中，本体(2)包括本体前部(5)、本体中部(6)和本体后部(7)，本体前部(5)和本体后部(7)的直径均与拖缆(1)直径相等，并均与拖缆(1)固定、水密连接；控制模块、测量模块、通讯模块和电源模块均安装在本体前部(5)内，本体后部(7)内安装有配重；本体中部(6)的直径小于拖缆直径；转动体(3)安装在本体中部(6)的外侧，转动体(3)的上部为实体结构，下部为壳体结构；转动驱动模块(10)和水翼驱动模块(15)分别安装在转动体(3)下部壳体中的两个水密封装体内；水翼(4)安装在转动体(3)的外侧；转动传动机构，包括转动传动机构传动轴(11)、两只轴承(8)、转动中心齿轮(9)和转动行星齿轮(12)，转动传动机构传动轴(11)的一端与转动驱动模块(10)的输出轴轴连，另一端固定安装有转动行星齿轮(12)，两只轴承(8)和转动中心齿轮(9)安装在本体中部(6)的外侧，转动中心齿轮(9)和转动行星齿轮(12)通过转动体下部的啮合孔啮合；水翼传动机构包括水翼传动机构传动轴(14)、水翼轴(19)、丝杠螺母(13)、丝杠螺母传动轴(21)和连杆(20)，水翼传动机构传动轴(14)的一端与水翼驱动模块(15)的输出轴轴连，另一端表面有螺纹，安装有丝杠螺母(13)，丝杠螺母(13)与丝杠螺母传动轴(21)固接，连杆(20)的一端与水翼轴(19)固接，另一端有连杆孔(22)，丝杠螺母传动轴(21)穿过连杆孔(22)，在连杆孔(22)内移动，水翼轴(19)由水翼轴承支撑，连杆(20)和水翼轴(19)同时转动；转动体(3)是通过两只轴承(8)和转动中心齿轮(9)安装在本体中部(6)外侧的；水翼(4)是通过水翼轴(19)安装在转动体(3)外侧的；本体电缆水密接头(17)安装在本体前部(5)的后端面上，转动体电缆水密接头(16)安装在转动体(3)的前端面上；连接电缆(18)位于本体电缆水密接头(17)和转动体电缆水密接头(16)之间。
2. 根据权利要求1所述的转动型海洋地震拖缆位置控制器，其特征是所述的转动驱 动模块(10)包括转动电动机驱动器、转动电动机、减速装置和位置指示器；水翼驱动模块 (15)包括水翼电动机驱动器、水翼电动机、减速装置和位置指示器。
3. 根据权利要求1所述的转动型海洋地震拖缆位置控制器，其特征是所述的连接电缆 (18)采用防水、耐腐蚀电缆，并预留冗余长度。
4. 根据权利要求l所述的转动型海洋地震拖缆位置控制器，其特征是所述的本体(2) 是由工程塑料或合金材料制成的圆柱形壳体，转动体(3)也是由工程塑料或合金材料制 成。
5. 根据权利要求1所述的转动型海洋地震拖缆位置控制器，其特征是所述的安装在转 动体(3)内的电缆采用防水、耐腐蚀电缆，转动传动机构和水翼传动机构由防水、耐腐蚀的 材料制成。
全文摘要
一种转动型海洋地震拖缆位置控制器，属于海洋地震勘探技术领域，包括本体、转动体、水翼、控制模块、测量模块、通讯模块、电源模块、转动驱动模块、水翼驱动模块、转动传动机构、水翼传动机构、本体电缆水密接头、转动体电缆水密接头和连接电缆。该拖缆位置控制器使用转动驱动模块驱动转动体绕本体转动，导致水翼随转动体相对本体转动，改变水翼产生的升力的方向；使用水翼驱动模块同时驱动两只水翼绕水翼轴转动，导致水翼攻角发生变化，改变水翼产生的升力的大小，以此实现对海洋地震拖缆中部垂直、水平位置的控制。该发明结构紧凑、制造成本低，能有效提高拖缆位置控制的精度，显著降低拖缆位置控制的复杂度。
文档编号G01V1/38GK101726756SQ20091031203
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者张小卿, 张维竞, 李 根, 段磊, 陈峻 申请人:上海交通大学