一種基于磁法探測的水下電纜探測誤差修正技術(shù)探討

崔志偉 趙陽

摘 要：隨著近年來我國海洋石油平臺(tái)、海上通訊等方面的迅猛發(fā)展，水下電纜的鋪設(shè)遍布各處海域，而水下電纜因其直徑較小等特點(diǎn)是目前海上調(diào)查的一大難點(diǎn)。文章介紹了目前常用的海底電纜平面探測技術(shù)手段：磁法探測的工作原理，并結(jié)合在渤南某油田電纜探測中的應(yīng)用成果，總結(jié)了一種基于磁法探測的水下電纜探測誤差修正方法，以期為不同工程中電纜磁法探測的數(shù)據(jù)處理提供參考。

關(guān)鍵詞：水下電纜探測 磁法探測 平面誤差改正

中圖分類號(hào)：TE58 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（b）-0088-02

隨著近年來我國海洋石油開發(fā)、海上通訊、風(fēng)電等發(fā)面的迅猛發(fā)展，水下電纜已遍布各處海域。鑒于海底地質(zhì)復(fù)雜，地震、海床塌陷、滑坡等，都有可能造成電纜斷裂、破損，影響電纜的安全運(yùn)行[1]，海底電纜探測和識(shí)別已成為海底管纜探測中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

海底電纜不同于海底管線，由于其直徑較小（一般為50～80mm），傳統(tǒng)的精密測深、側(cè)掃聲吶等探測手段不能對其進(jìn)行完整的探測和識(shí)別[2]，例如側(cè)掃聲納僅適用于裸露電纜；傳統(tǒng)的淺地層剖面儀由于受技術(shù)限制，垂向分辨率一般為100mm，僅對直徑較大的電纜有一定的探測能力。本文介紹了目前常用的海底電纜平面探測技術(shù)手段：磁法探測的工作原理，并結(jié)合在渤南某油田電纜位置探測中的應(yīng)用成果，總結(jié)了一種基于磁法探測的水下電纜探測誤差修正方法，以期為不同工程中電纜磁法探測的數(shù)據(jù)處理提供參考。

1 磁法探測原理

海底電纜一般采用特殊的護(hù)套結(jié)構(gòu)，主要包括加強(qiáng)的金屬護(hù)套、金屬加強(qiáng)帶和鎧裝鋼絲[5]，而電纜的結(jié)構(gòu)一般分導(dǎo)體、絕緣體、內(nèi)外屏蔽、金屬護(hù)套和非金屬護(hù)套、鎧裝鋼絲和外被層[6]。海底電纜本身含有鐵磁性材料，而當(dāng)通電時(shí)，將產(chǎn)生附加磁場[7]，因此海底電纜的磁場模型 包括兩部分：（1）鐵磁性材料產(chǎn)生的磁場T1；（2）海底電纜通電時(shí)的附件電流磁場T2 。

磁場T1由海底電纜鎧裝鋼絲形成，其可看成是由無限長的水平圓柱體，磁異常形態(tài)可用無限長圓柱體模型來建立。磁場T2可理想化為一無線長載流導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場，它在其周圍空間產(chǎn)生的磁場符合比奧-薩伐爾定律[8-9]。海底電纜的鎧裝部分體積較小，因而產(chǎn)生的磁力異常值較弱[7]，其通電時(shí)電流磁場占主導(dǎo)地位。磁力梯度儀測得是磁場總強(qiáng)度T，通過分析總磁異常ΔT來對海底電纜進(jìn)行定位[10]。

2 實(shí)例設(shè)備介紹

以渤南某油田電纜探測為例，項(xiàng)目采用的電纜探測設(shè)備磁法探測設(shè)備G-882磁力梯度儀。

磁力梯度儀G-882是美國Geometrics公司生產(chǎn)的銫光泵磁力儀。它是以工作物質(zhì)的原子能級(jí)在磁場中產(chǎn)生塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，再加上光泵技術(shù)和核共振技術(shù)而制成的。其既可以探測物體的固有磁場，也可以探測電磁異常。配有高度回聲測深儀模塊，量程為0～100m，分辨率為量程的0.25%，可以準(zhǔn)確計(jì)算拖魚后拖時(shí)的Layback數(shù)值，結(jié)合記錄的GPS位置軌跡和速度，實(shí)現(xiàn)每個(gè)點(diǎn)的精確定位。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

項(xiàng)目調(diào)查內(nèi)容為兩平臺(tái)間的電纜路由探測。該段探測路由全長約2.3km，路由段內(nèi)有兩條管線及一條電纜平行分布，電纜走向大致為西北-東南向。

3.2 調(diào)查方法

本次調(diào)查中計(jì)劃線分為橫測線和縱測線。測量過程中，首先進(jìn)行側(cè)掃地貌調(diào)查，之后進(jìn)行淺地層剖面調(diào)查，最后進(jìn)行磁法電纜探測。

為消除船體固有磁場及電磁場干擾，磁法探測選用木質(zhì)船舶、船尾拖曳式進(jìn)行探測作業(yè)，拖纜長度應(yīng)大于3倍船長。為了保證探測精度，設(shè)備距海底必須足夠接近，一般保持在約2m，通過對磁力梯度儀G-882進(jìn)行不同拖纜長度的測試結(jié)果比對后，確定拖纜施放75m，船速2節(jié)時(shí)測量狀態(tài)較好。

將GPS定位數(shù)據(jù)信息接入磁力儀軟件中，并同步輸入GPS至拖曳點(diǎn)長度、后拖電纜長度進(jìn)行實(shí)時(shí)改正，在發(fā)現(xiàn)電纜磁異常信號(hào)時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)摘取。為得到更精確的電纜平面位置坐標(biāo)，采取往返測量。

4 誤差修正方法

直接由軟件提取的磁力探測數(shù)據(jù)存在Layback修正不精準(zhǔn)、誤差較大等問題。但在探測中，磁力梯度儀不僅可以探測物體的固有磁異常，同時(shí)也可以探測電磁異常，也就是說磁力梯度儀G-882不僅探測到了電纜位置，同時(shí)也獲得了路由區(qū)域內(nèi)的管線位置，因此我們可以在后期數(shù)據(jù)處理中通過與其他資料的對比進(jìn)行誤差改正，同時(shí)也可以通過采用往返不同方向測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行位置修正。

處理方法主要分為以下兩步。

4.1 往返探測坐標(biāo)修正

在探測結(jié)束后，對磁力梯度儀探測數(shù)據(jù)首先進(jìn)行Layback改正、磁偏角改正、地磁日變改正等，得出電纜探測位置坐標(biāo)。之后對往返測量結(jié)果計(jì)算中值位置坐標(biāo)，得到電纜、管線初步探測成果。

4.2 多源坐標(biāo)校核

由于本項(xiàng)目中路由探測段未發(fā)現(xiàn)裸露電纜，無法對磁力梯度成果與地貌調(diào)查中的裸露電纜進(jìn)行比對，故采用淺地層剖面儀探測到的埋藏管線位置坐標(biāo)校核磁力儀探測到的管線及電纜坐標(biāo)。

通過對比，我們發(fā)現(xiàn)磁力梯度儀探測成果呈現(xiàn)為一條折線，分析其原因?yàn)楹笸弦纺Ｐ推聘恼源嬖谝欢ㄆ睢Ｓ捎跍\地層剖面儀為立桿式安裝（GPS位于其正上方），而磁力儀為尾拖式測量，淺地層剖面儀的平面測量精度（±1.0m）優(yōu)于磁力儀（±1.0～±5.0）m，因此可將磁力儀探測結(jié)果（管線與電纜）按照淺地層剖面儀所得的管線結(jié)果沿磁力探測測線方向進(jìn)行聯(lián)合偏移，近似認(rèn)為偏移之后所得的電纜位置為實(shí)際電纜位置?；诖耍Y(jié)合淺地層剖面儀資料，通過偏差分析后進(jìn)行聯(lián)合平移，最終得出更加準(zhǔn)確的電纜探測位置（見圖1）。

由表1可知，本次測量中G-882磁力梯度儀電纜原始坐標(biāo)（往返探測坐標(biāo)修正后）與采用淺地層剖面儀數(shù)據(jù)校核修正后坐標(biāo)最大差值為6.11m，最小差值為0.22m，平均差值為2.94m。

可得σ為1.77m。其表明磁力探測數(shù)據(jù)在經(jīng)過往返測量坐標(biāo)修正后與校核修正后坐標(biāo)總體偏差不大，但從電纜走向來看，校核后電纜路由更加圓滑符合電纜實(shí)際情況。

由于在本次項(xiàng)目調(diào)查區(qū)域未進(jìn)行海底電纜潛水探摸，無法對比實(shí)際電纜位置情況，希望以后的項(xiàng)目中能有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際比對。

5 結(jié)語

磁力探測儀G-882的作業(yè)方式（尾拖式）是造成其電纜探測位置不精確的主因。雖然由于在本次項(xiàng)目調(diào)查區(qū)域未進(jìn)行海底電纜探摸，無法對比電纜實(shí)際位置情況，但通過本文的實(shí)際應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)通過往返測量修正及多源坐標(biāo)校核的誤差修正技術(shù)，可以得到更加精確的電纜位置坐標(biāo)。

在其他基于磁法探測的水下電纜探測工程中，為了保證調(diào)查準(zhǔn)確度、避免Layback修正帶來的誤差，可以采用安裝水下定位信標(biāo)于磁力探測儀上的方式，但同樣這種方式也將增加工程成本及調(diào)查繁瑣度，因此本文介紹的誤差修正技術(shù)在一般的電纜磁法探測工程中具有較好的應(yīng)用，望對有關(guān)學(xué)者及工作人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱巍，鮑潔秋，于力，等.海底電纜及其技術(shù)難點(diǎn)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，8（1）：41-44.

[2] 于波，劉雁春，邊剛，等.海洋工程測量中海底電纜的磁探測法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006，31（5）：454-457.