海底電纜外部探測(cè)方法與應(yīng)用淺析

李 晶

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

海底電纜在跨洋通訊、海上油田供電、海上風(fēng)電、島陸間供電與通訊、水下安防通訊等應(yīng)用方面發(fā)揮著重大的作用，其安全運(yùn)營(yíng)也是海洋工程領(lǐng)域的重要議題[1-2]。海底電纜敷設(shè)安裝后一般淺埋或裸露于海底面，在潮流、波浪、潮汐等海洋動(dòng)力條件下，容易產(chǎn)生沖刷、移位等不利影響；在風(fēng)暴潮、海底塌陷、海底滑坡等外部營(yíng)力或漁業(yè)作業(yè)、船舶拋錨等人類活動(dòng)影響下，還可能發(fā)生損傷、斷裂等事故[3]。

海底電纜的外部探測(cè)主要包括平面位置探測(cè)和埋深狀態(tài)探測(cè)。進(jìn)行海纜外部探測(cè)，有助于及時(shí)掌握海底電纜的外部信息，可以為日常維護(hù)檢修提供寶貴的基礎(chǔ)資料，也可以用于查找事故海纜的斷裂位置，服務(wù)于應(yīng)急搶險(xiǎn)修復(fù)工作。

目前常見(jiàn)的海底電纜外部探測(cè)方法主要有側(cè)掃聲納探測(cè)、海洋磁力儀探測(cè)、海纜探測(cè)儀探測(cè)、淺地層剖面儀探測(cè)等多種方法[4-6]，每種方法都有其特有的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將從原理闡述和應(yīng)用實(shí)例介紹方面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 側(cè)掃聲納探測(cè)方法與應(yīng)用

側(cè)掃聲納探測(cè)是一種非常成熟的海底探測(cè)技術(shù)，它具有分辨率高、掃測(cè)范圍大、安裝使用方便、資料處理簡(jiǎn)單、圖像識(shí)別直觀等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)掃聲納技術(shù)運(yùn)用海底地物對(duì)入射聲波反向散射的原理來(lái)探測(cè)海底形態(tài)，通過(guò)聲納線陣向左右兩側(cè)發(fā)射扇型波束，海底反向散射信號(hào)依時(shí)間的先后和強(qiáng)度的不同被聲納線陣接收，然后根據(jù)不同位置灰度值的不同而構(gòu)成聲學(xué)成像，可以直觀地反映出海底微地貌形態(tài)和海底底質(zhì)或目標(biāo)物的聲學(xué)特征。根據(jù)以上原理，如果海底電纜裸露于海底面，且與海底底質(zhì)存在明顯的聲阻抗差異，將會(huì)清晰地反映到聲納圖像中。

圖1是在渤海某油田應(yīng)用側(cè)掃聲納探測(cè)海底電纜的聲學(xué)效果圖。其中，圖1-a是海纜正常裸露狀態(tài)下的聲納圖像，可以看出，在底質(zhì)軟弱均勻的平滑海底面上，海底電纜呈現(xiàn)出灰度較大的強(qiáng)反射特征，裸露段的反射特征為連續(xù)的線形，埋藏時(shí)無(wú)反射特征；當(dāng)海纜出現(xiàn)盤繞現(xiàn)象時(shí)，聲納圖像上的反映清晰而具體；海底電纜的數(shù)目、入泥點(diǎn)與出泥點(diǎn)的位置等信息，都能在聲圖上得到辨識(shí)。圖1-b是海纜遭受船舶拋錨活動(dòng)破壞，被拖曳后的聲納圖像，可以看出，被拖曳后的海底電纜呈灰度較大的線形強(qiáng)反射，拋錨痕跡呈灰度較小的弱反射，拖曳痕跡呈束裝并發(fā)散的中等反射，原海纜位置在拖曳痕跡的邊緣，整個(gè)聲納圖像信息豐富，主次分明，可以從中還原事故發(fā)生的具體經(jīng)過(guò)。

圖1 海底電纜側(cè)掃聲納探測(cè)圖像Fig.1 Side scan sonar image in submarine cable detection

總體來(lái)說(shuō)，側(cè)掃聲納用于海底電纜外部探測(cè)時(shí)，易于探測(cè)到海纜在裸露狀態(tài)下的平面位置，且能反映出海纜細(xì)節(jié)信息；同時(shí)能夠探測(cè)到海纜周圍可能存在的不利影響因素，如不良地貌、海底障礙物、人工作業(yè)痕跡等，便于評(píng)估海纜的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)；還能用于對(duì)海纜斷裂、移位等事故原因的調(diào)查。其缺點(diǎn)是難以探測(cè)到海纜在埋藏狀態(tài)下的信息，平面定位數(shù)據(jù)在惡劣海況、大水深條件、較強(qiáng)溫躍層等情況干擾下，容易產(chǎn)生較大誤差。

2 海洋磁力探測(cè)方法與應(yīng)用

海洋磁力探測(cè)是發(fā)現(xiàn)海底管線或電纜位置的常用手段。如果某一區(qū)域的磁力場(chǎng)受到外界鐵質(zhì)物體的入侵，將會(huì)受到鐵質(zhì)物體產(chǎn)生的相對(duì)于自身磁力場(chǎng)的作用，從而被干擾，而且其干擾基本存在于入侵鐵質(zhì)物體的周圍。當(dāng)磁場(chǎng)受到外來(lái)入侵，導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了變化，那么位于附近的磁力儀會(huì)相應(yīng)地改變磁力數(shù)值，從而探測(cè)出鐵磁性物體的磁異常值和位置。

海底電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要來(lái)源于保護(hù)層中的鐵磁性材料以及自身的加載電流。在實(shí)際探測(cè)時(shí)，將海底電纜看作無(wú)限延伸的水平圓柱體，然后根據(jù)磁力儀距水平圓柱體鐵磁性物體的距離不同所產(chǎn)生的磁異常值的大小，來(lái)判別海底電纜的磁異常信號(hào)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般的海底電纜在距磁力儀5～10 m高度時(shí)產(chǎn)生的磁異常值約在8～30 nT左右，大致相當(dāng)于直徑為0.1 m的鐵磁性水平圓柱體的磁異常值，當(dāng)海底電纜不通電或動(dòng)力加載電流較大時(shí)，其磁異常值也可能超出上述范圍[7]。

在使用海洋磁力儀時(shí)，通常將其拖曳于船尾一定距離，如果是木質(zhì)船體，拖纜長(zhǎng)度宜大于1倍船長(zhǎng)，如果是鐵質(zhì)船體，拖纜長(zhǎng)度宜大于3倍船長(zhǎng)，以降低船磁的干擾影響。當(dāng)水深較大時(shí)，可在磁力儀拖體或拖纜上加裝鉛塊等配重使之下沉，然后通過(guò)調(diào)節(jié)船舶的航速，將拖體的距底高度控制在5～10 m范圍，以便取得較好的探測(cè)效果。

海洋磁力儀的探測(cè)成果可以利用磁異常平面剖面圖的形式來(lái)表示，具體方法為，首先繪制磁力探測(cè)的實(shí)際航跡線，然后按照適當(dāng)?shù)谋壤龑⒚總€(gè)測(cè)點(diǎn)的磁異常值垂直投影到航跡線上，即可直觀地判斷整條航跡線上的磁異常值變化情況，如果沒(méi)有其他磁性體干擾，海底電纜上方的磁異常會(huì)非常明顯。圖2是在渤海某油田進(jìn)行海洋磁力探測(cè)后，根據(jù)磁異常成果繪制的平面剖面圖，連接每條航跡線上探測(cè)到的磁異常點(diǎn)，即可得到海底電纜的位置和走向。

海洋磁力儀探測(cè)海底電纜不受其埋設(shè)狀態(tài)的限制，不管是裸露還是淺埋狀態(tài)都能有效探測(cè)，但也具有很多應(yīng)用限制和缺點(diǎn)。首先，其測(cè)線通常垂直于海纜路由布設(shè)，只能探測(cè)到海纜路由的一系列節(jié)點(diǎn)位置，不能反映出連續(xù)完整的位置及走向，特別是當(dāng)海底電纜有著拐彎、曲折甚至盤繞現(xiàn)象時(shí)，難以被真實(shí)反映；其次，其作業(yè)容易受到外界環(huán)境的干擾，比如在近岸或漁業(yè)區(qū)其拖體易被漁網(wǎng)纏繞或刮斷，在近平臺(tái)處、航標(biāo)附近、船舶停泊區(qū)等地方易受強(qiáng)磁干擾，當(dāng)海底電纜附近存在海底管線時(shí)易被更強(qiáng)的磁異常信號(hào)淹沒(méi)；再次，其平面定位精度較差，這主要是由于拖體在水中難以被準(zhǔn)確定位，尤其是當(dāng)航跡不平直或受海流橫切影響時(shí)，因拖魚擺動(dòng)造成的定位誤差更大；此外，在確定海底電纜埋深方面，目前仍沒(méi)有較好的反演方法。

圖2 海纜路由區(qū)磁異常平面剖面圖Fig.2 Plane profile of magnetic anomaly in submarine cable detection

3 海纜探測(cè)儀工作方法與應(yīng)用

海纜探測(cè)儀屬于采用了交流載波法原理的有源電法探測(cè)設(shè)備，通常由探測(cè)發(fā)信裝置和位置或埋深接收裝置等模塊組成，能夠探測(cè)海底電纜的平面位置、埋深，以及故障點(diǎn)的位置。其原理為，海底電纜在通電狀態(tài)下，其芯線導(dǎo)體通過(guò)交變電流，在周圍能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并向外界空間傳播，通過(guò)在導(dǎo)磁率很高的棒形鐵芯上繞制銅線圈做成探頭，并配以合適的電容，使其在特定頻率上諧振，就可以探測(cè)到此電磁波信號(hào)，然后根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱以及信號(hào)的變化情況，即可判斷出海纜的位置或埋深。當(dāng)海纜發(fā)生斷裂故障后，可認(rèn)為故障點(diǎn)已經(jīng)自然接地，海纜芯線或金屬護(hù)層已與海水構(gòu)成回路，此時(shí)，在終端通過(guò)海纜送出適當(dāng)頻率和功率的交流信號(hào)電流，使得海纜周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)通過(guò)海水衰減后穿出海面并向空中傳播，利用探頭接收此信號(hào)，過(guò)了故障點(diǎn)信號(hào)將不能通過(guò)，探頭也就接收不到信號(hào)，由此可確定故障點(diǎn)的位置[8]。

目前，交流載波法方法較為成熟，受影響因素少，處理解譯簡(jiǎn)單，因而，海纜探測(cè)儀具有使用方便、靈敏度高、適用性好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，探頭不用入水安裝，直接固定在船舷、臨空懸掛即可，在我國(guó)多選擇50 Hz的工頻脈沖頻率進(jìn)行探測(cè)，測(cè)線走向垂直于海纜路由方向，接收信號(hào)圖形一般呈“M”形，海纜的位置通常在“M”圖形的中點(diǎn)波谷處，圖3為在渤海某油田使用海纜探測(cè)儀取得的信號(hào)異常圖像，其波形與上述描述一致，較為典型。

在使用過(guò)程中，探頭要遠(yuǎn)離船舶主機(jī)與輔機(jī)，盡量保持垂直向下，盡可能關(guān)閉移動(dòng)發(fā)電機(jī)，切斷附近的用電設(shè)施，以降低背景電磁信號(hào)的干擾。另外，盡管海纜探測(cè)儀在用于探測(cè)海纜路由平面位置時(shí)效率較高，但在探測(cè)埋深時(shí)需要將探頭貼近海底面，并橫切海纜路由移動(dòng)，這不僅降低了效率，還大大增加了作業(yè)難度，因此，海纜埋深探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用較為少見(jiàn)。

圖3 海纜探測(cè)儀成果圖像Fig.3 Signal and image of submarine cable detector

與海洋磁力儀的探測(cè)結(jié)果類似，海纜探測(cè)儀得到的是一系列海纜路由節(jié)點(diǎn)的位置，無(wú)法形成連續(xù)完整的平面位置及走向。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在渤海海上油田區(qū)，約有近一半的海底供電電纜仍然無(wú)法被海纜探測(cè)儀探測(cè)出，這些海纜的共同特點(diǎn)是工頻電場(chǎng)強(qiáng)度較小，未探測(cè)到的原因可能與設(shè)備探頭對(duì)信號(hào)的去噪及放大程度不夠有關(guān)。

與測(cè)深儀、側(cè)掃聲納、海洋磁力儀等成熟的海洋調(diào)查設(shè)備相比，目前海纜探測(cè)儀的生產(chǎn)尚未達(dá)到市場(chǎng)化的程度，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)主要以企業(yè)定制與科研院校研發(fā)為主，缺乏統(tǒng)一的生產(chǎn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，也未出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中獲得公認(rèn)或贊譽(yù)度較高的產(chǎn)品型號(hào)，大部分產(chǎn)品的研發(fā)還不夠全面，許多問(wèn)題有待完善，比如設(shè)備不能較好地與平面定位系統(tǒng)相兼容，探測(cè)數(shù)據(jù)不能被記錄、回放及后處理等。

4 淺地層剖面探測(cè)方法與應(yīng)用

淺地層剖面儀被廣泛用于地層結(jié)構(gòu)探測(cè)，其工作原理是：在船舶走航過(guò)程中由換能器向水下鉛直發(fā)射大功率低頻脈沖的聲波，當(dāng)聲波抵達(dá)水底時(shí)，部分反射，部分繼續(xù)向地層深處傳播，由于地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，當(dāng)出現(xiàn)聲阻抗界面時(shí)，又有部分聲波被反射，這樣，根據(jù)反射界面的特性和深度的不同，換能器接收到回波信號(hào)的時(shí)間和強(qiáng)度也不同，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等處理后，送入記錄器，就可以形成由不同灰度的點(diǎn)組成的聲學(xué)圖像，從而描繪出地層的剖面結(jié)構(gòu)。

不過(guò)，淺地層剖面儀探測(cè)海底管纜的原理與探測(cè)地層結(jié)構(gòu)并不相同，它是根據(jù)聲波在遇到地層中的管線或電纜等突變點(diǎn)時(shí)，發(fā)生繞射現(xiàn)象，產(chǎn)生了雙曲線形態(tài)的繞射弧來(lái)判定海底管纜的位置和埋深的，繞射弧頂點(diǎn)位置的坐標(biāo)即為海底管纜的平面位置坐標(biāo)，繞射弧頂點(diǎn)距海底面的反射時(shí)程折算成距離即為海底管纜的埋深[9]。

圖4 海底電纜淺地層剖面探測(cè)圖像Fig.4 Subbottom profile image in submarine cable detection

應(yīng)用淺地層剖面儀探測(cè)海底管纜，其分辨率高、位置精度高、能同時(shí)探測(cè)出埋深，且不受探測(cè)目標(biāo)是否為鐵磁性體、是否通電等因素的影響，只要目標(biāo)與周圍地層間存在明顯的聲阻抗差異，基本都能夠被探測(cè)到。在實(shí)際應(yīng)用中，更多被用于探測(cè)海底管線，管線直徑越大，與地層間的聲阻抗差異越明顯，探測(cè)效果越好。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)海底管線直徑小于4英寸時(shí)，基本很難被探測(cè)到；在淤泥或黏性土地層中的探測(cè)效果較好，在砂土或碎石土中探測(cè)效果較差。

和海底管線相比，海底電纜通常直徑較小，組成材料中含有較多纖維及塑料，密度較小，使得與地層間的聲阻抗差異小，經(jīng)常難以被淺地層剖面儀探測(cè)到。但在渤海蓬萊油田的工程實(shí)例表明(圖4)，由于管纜路由區(qū)的表層沉積物松軟且均勻，5條海底管道和6條海底電纜的淺地層剖面聲學(xué)圖像都十分清晰，足以被識(shí)別出，這說(shuō)明在軟而均勻的地層中，淺地層剖面儀在海底電纜探測(cè)方面仍有一定的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

本文列出的海底電纜外部探測(cè)方法中，側(cè)掃聲納能夠獲得海底面一定范圍內(nèi)完整的聲學(xué)圖像，可以從中識(shí)別裸露海纜的位置分布和連續(xù)走向，還可同時(shí)探測(cè)海纜周邊的地貌異常，使其能應(yīng)用于事故調(diào)查，可以說(shuō)，側(cè)掃聲納探測(cè)是進(jìn)行海底電纜外部探測(cè)的必備方法；海洋磁力儀、海纜探測(cè)儀和淺地層剖面儀等探測(cè)方法可以獲得海纜路由上的不連續(xù)節(jié)點(diǎn)，其連線能夠反映出海纜路由的平面位置，其中，海洋磁力儀應(yīng)用廣泛，海纜探測(cè)儀可以測(cè)得故障點(diǎn)位置，淺地層剖面儀能夠測(cè)出埋深。

每種方法都有其適用范圍及條件，都有著應(yīng)用限制和優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合探測(cè)目的及要求、工作條件、海洋環(huán)境條件、工期要求等多方面因素，合理選擇搭配探測(cè)方法。

海洋調(diào)查設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的潛水探摸等手段逐漸被電子設(shè)備探測(cè)方法替代，日后，預(yù)計(jì)海纜探測(cè)儀將會(huì)更加靈敏和完善，其應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，而掃描聲納、合成孔徑聲納等方法也將逐漸在海底電纜探測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)并發(fā)揮作用，高度集成而一體化的探測(cè)系統(tǒng)將被研制與生產(chǎn)[10]，其將大大提高作業(yè)效率，降低探測(cè)成本。