海底光纜磁法探測技術研究與應用*

周普志，李正元，沈澤中，殷征欣，呂修亞，賀惠忠，董超，2

1. 國家海洋局南海調查技術中心，廣東廣州 510275

2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣東廣州 510275

近年來，隨著信息產業(yè)全球一體化建設的加快，我國海域內海底光纜建設數量均處于迅速發(fā)展階段。海底管線路由勘察是海底管線工程建設前期工作的關鍵環(huán)節(jié)之一［1］，為審批路由鋪設提供了依據，也為海底光纜建設的路由選擇、施工設計、鋪設施工、運營維護等提供了必需的基礎資料。海底管線勘察中的路由指的是海底光纜在海底從起點到終點的路徑，它的寬度一般在500～2 000 m 之間，呈條帶狀。路由勘察即是沿著預選路由專門針對海纜工程而進行的海洋工程勘察［2］。

由于海底光纜路由勘察海域存在著已鋪設管線，特別是與之縱橫交錯的已建海底光纜。經過了歲月的變遷， 這些海底光纜在海域中的坐標是否有了變化，是否還存在也不明確。此外，過去敷設海底光纜時的定位儀器存在很大的誤差［3］。目前，探測海底光纜的方法有磁法探測、側掃聲吶探測、淺地層剖面探測和海纜追蹤探測等多種方法［2，4］，磁法探測主要是針對掩埋較深，管徑太細的管線探測［5］。根據海底光纜的鎧裝鋼絲在地磁背景場中形成的磁信號異常對其進行探測識別的裝備精度較高、探測效果較好［6］。隨著高精度定位技術的應用，在深水磁力調查中引入USBL 進行磁力拖魚的定位，能獲得可靠穩(wěn)定的高精度目標位置［7］。

1 海底光纜磁法探測原理

海底光纜在淺水段為避免錨害，通常采用中繼型雙層鎧裝光纜，如圖1-2所示。其由纖芯、光信號轉發(fā)器、鐵磁性包裹層、阻水保溫層、防壓防腐層等結構組成［8］。

圖1 海底光纜截面圖Fig.1 Submarine optical cable cross section

圖2 海底光纜纖芯Fig.2 Submarine optical cable core

海底光纜產生磁異常的原因有兩種，一是光纜包裹層含有剛性或其它能產生磁異常的鐵磁性材料，光纜就相當于一個無限延伸的圓柱體產生的磁異常；二是為了達到光信號遠距離傳輸的需要，在光纜上都要加裝一定數量的光信號中繼器，這些中繼器必須依靠遠供電源系統(tǒng)的電流才能正常工作，這個電流為直流或是低頻電流，磁力儀能采集到此類電流產生的磁異常。

因此，海底電纜磁場模型由鐵磁性材料自身產生的圓柱體磁場模型和附加電流磁場模型組成［9］，即

其中△T為國際光纜磁異常；△T1為光纜包裹層磁性材料自身產生的磁異常；△T2為遠供電源系統(tǒng)電流產生的磁異常。

1.1 包裹層磁性材料磁異常分析

將包裹層磁性材料理想化為無限長水平圓柱體產生的磁異常，如圖3所示。

圖3 海底光纜包裹層磁場模型坐標系Fig.3 Magnetic model coordinate system of submarine optical cable integument

假設海底光纜的橫截面積S，探測高度D，光纜磁導率為μ0，有效磁化強度為Ms，有效磁化傾角為is，地磁傾角為I，測線方位角為A，磁力儀在測線上連續(xù)記錄的理想磁異常分布為

1.2 遠供系統(tǒng)電流產生的磁異常分析

將遠供系統(tǒng)電流產生的磁異常理想化為無限長載流導線在其周圍空間產生的磁異常，根據安培定則，線電流產生的磁場強度H為其中i為電流強度，r為海底光纜距離測線上任一測點的垂直距離。

由于磁力儀測得的異常值視為磁場強度H在地磁場T0方向上的分量，遠供電源系統(tǒng)電流產生的磁異常為

其中α為電流磁場H與水平面的夾角，I為地磁傾角，如圖4所示。

圖4 海底光纜電磁場模型坐標系Fig.4 Electromagnetic model coordinate system of submarine optical cable

可見，海底光纜產生的磁異常與探測高度、光纜外徑、電流強度有關。磁力儀距離海底越近、光纜外徑越大，通過電流強度越大的光纜產生的磁異常越大。

1.3 圖像定位法

由于光纜磁異常值有一定范圍的幅寬，且因其走向、所處地理緯度以及埋深的不同，實際測量時所得到的二維圖像也是大相徑庭的。磁力儀在海底進行光纜探測時測得的磁異常曲線是光纜本身包裹磁性材質的異常和遠供電流產生的異常值的疊加，在圖像上往往是非對稱圖像。

劉勝旋曾提出過對已鋪設電纜具體位置的圖像定位方法［10］，如圖5 所示。其中，5（a）是關于y軸對稱的磁異常曲線，極值點在航跡線上的投影點就是海底電纜在海平面的投影點。5（b）是關于原點對稱的異常曲線，曲線的拐點在航跡線上的投影點就是光纜在海平面的投影點。5（c）是非對稱的異常曲線，則根據其與上述兩種對稱曲線的接近程度來確定光纜的定位點。如與y軸對稱的曲線較接近，則其定位點較接近極值點。5（c）如與原點對稱的曲線較接近，則其定位點較接近拐點，如圖5（d）所示。

2 平面位置定位法

海底光纜根據水深一般有兩種鋪設方式，在水深大于500 m 的陸坡及海盆區(qū)域，由于受到人類活動影響較少，一般采用直接敷設在海底的方式，而陸架及近岸即水深小于500 m 的區(qū)域，通常采用挖溝埋設的方式保證海底光纜安全。精確定位光纜的平面位置和走向需要根據其埋設方式和狀態(tài)選擇相應的探測方法。

對于直接敷設的深水區(qū)光纜，可采用側掃聲吶順光纜走向布設三條測線，其中一條測線應沿路由布置，其余測線布置在路由兩側，測線間距按成圖比例尺不同可設定為25～100 m［11］。對于埋設的光纜，由于潮流或其他原因，預挖溝槽被沖蝕后難以識別，又由于光纜直徑小，側掃聲吶或淺地層剖面均難以探測到，通常采用磁法探測。首先，應根據路由選擇依據說明材料，充分了解預選路由上可能交越的已鋪設在運營的國際光纜走向，劃定大致的交越點靶區(qū)。然后，垂直于已鋪設纜線布設測線，將多條測線測得的磁異常點位置連線，即可確定埋設光纜的平面位置和走向。

2.1 測線布設原則

磁法探測通常用拖曳式磁力儀，而水深10 m的海底通信光纜或者動力電纜產生的磁異常寬度范圍通常為75～100 m［12］。測線應垂直于已鋪設電纜走向布設，在交越點探測區(qū)域，為確保磁力儀不受調查船船磁影響，線長度不小于500 m，測線間距不大于200 m［11］，根據磁力儀實測信號強度和磁異常幅值，適當加密測線或增加備用測線。

2.2 船載定位設備

為保證調查區(qū)域的定位精度，通常采用星站差分GPS。市場上已經得到廣泛應用的星站差分系統(tǒng)有三家：美國的Starfire、荷蘭的OmniStar、挪威的VeriPos，可實現分米級甚至厘米級實時定位。

2.3 水下定位設備

由于海底光纜磁法勘察過程中需要將磁力儀拖曳于船尾，為盡可能消除船磁干擾，一般選擇纜長約為三倍船長。受到流速流向的影響，如果直接使用船載GPS 計算后拖距離勢必產生較大的定位誤差，為獲取磁力儀拖魚的精確位置，需要使用水下導航定位系統(tǒng)。

水下導航定位系統(tǒng)主要有三種形式：超短基線（USBL）定位系統(tǒng)、短基線（SBL）定位系統(tǒng)、長基線（LBL）定位系統(tǒng)。目前在海底光纜路由勘察中，主要使用超短基線導航定位系統(tǒng)為水下拖體提供精確的定位信息。將超短基線聲學定位系統(tǒng)的換能器通過固定桿安裝在調查船船舷或者穿艙方式安裝（主流方式是安裝在船舷），船舷式安裝操作相對簡便。調查作業(yè)時，將水下信標綁縛在需水下定位的目標上即可，而且可以同時跟蹤多個水下目標，滿足多載體同時作業(yè)的定位需求。

國際上主流的超短基線主要有英國Sonardyne公司的Gyro USBL 水下聲學定位系統(tǒng)，法國IXBlue公司的GAPS 型全球聲學定位系統(tǒng)，挪威Kongs?berg Marinetime 公司的HiPAP 系列，英國AAE 公司的Easytrack系統(tǒng)系列等等。

2.4 光泵磁力儀

光泵磁力儀建立在塞曼效應基礎之上，是利用拉莫爾頻率與環(huán)境磁場間精確的比例關系來測量磁場的。T=K×f，這里f是拉莫爾頻率；K為比例系數；T是地磁場，單位為nT。只要測量拉莫爾頻率f，就可以得到地磁場f的大小。光泵磁力儀靈敏度可達0.01 nT 或更高，采樣率可達10 Hz或更高，主要應用于對靈敏度要求較高的海洋磁力異常調查［12］。

目前國內用于工程勘察的主流光泵磁力儀為美國GEOMETRICS 公司生產的G-880 型或G-882型銫光泵磁力儀。

3 探測工作實例

本文以2019 年底完成的灣區(qū)互聯海纜（Bto?BE）路由勘察項目中的磁法勘察和解析過程為例，對勘察過程中的測線布設、設備選用及連接、數據分析以及交越光纜的判定成圖進行具體介紹。

BtoBE 海纜是跨太平洋的海底光纜，主干線由粵港澳大灣區(qū)直達美國舊金山大灣區(qū)，是首條兩個灣區(qū)之間的直達海纜，并設有分支延伸至新加坡及菲律賓等東南亞地區(qū)。主干線中S1（HKBU1）自中國香港穿過南海北部陸架、陸坡延伸至南海北部陸坡坡底BU1 連接處，長約570 km。該段路在領海內由與東亞交匯海底光纜系統(tǒng)（EAC）、亞太直達國際海底光纜（APG）、亞洲海底快線（ASE）、環(huán)球光纜（FLAG）等光纜的理論交越點為7個（如圖6所示）。

圖6 BtoBE海纜領海內與已建光纜交越情況Fig.6 Intersection between BtoBE submarine cable and built optical cable

3.1 測線布設

根據收集到的已鋪設光纜資料，以理論交越點為中心，半徑500 m 區(qū)域內，垂直于BtoBE 光纜路由，間隔200 m 布設磁力測線，每個交越點布設5 條測線，其中最外側的2 條測線為備用測線，測線長度為1 000 m，相鄰測線走航方向相反，如圖7所示。

圖7 磁力調查測線分布示意圖Fig.7 Magnetic survey line

3.2 探測設備及連接

為保證水下定位精度，我們采用美國C&C 公司生產的C-Nav3050 星載差分DGNSS 系統(tǒng)進行時差分定位，配合使用英國Sonardyne 公司生產的So?nardyne Ranger 2 超短基線系統(tǒng)對磁力儀拖魚進行水下實時定位。其中，DGPS 系統(tǒng)的平面精度優(yōu)于0.15 m。USBL其平面精度優(yōu)于斜距的0.5%，有效作用距離1 000 m，使用時將水聲換能器固定于船舷一側并浸沒海水中使之超過船底深度，水下信標用鋼架固定在側掃拖魚上，如圖8所示。

圖8 水下信標及側掃聲吶Fig.8 Underwater transducer and side-scan sonar

釋放同軸鎧裝纜連接側掃拖魚，纜長為2.5倍船長以消除船磁影響［13］。再使用9 m 信號纜將磁力儀拖曳于側掃拖魚尾部，如圖9所示。側掃拖魚利用自身重量下沉使得磁力儀盡可能的貼近海底光纜，穩(wěn)定拖魚采集姿態(tài)及距離海底高度，提高探測信號強度。

圖9 設備連接示意圖Fig.9 Magnetic survey equipments connection

磁力探測設備選用美國GEOMETRICS 公司生產的G-882 型銫光泵磁力儀，如圖10 所示。該型磁力儀雖受測線方向和調查地區(qū)的緯度影響，但靈敏度高，在南海500 m 深度以內近岸海域探測鋪設光纜的效果明顯。

圖10 G-882銫光泵磁力儀Fig.10 G-882 cesium optical-pumping magnetometer

3.3 采集過程

磁力儀探測時，磁力儀與水下定位系統(tǒng)同步作業(yè)，水下定位系統(tǒng)實時記錄磁力拖魚位置，保持磁力儀與海床垂直距離約在10 m，盡可能使用最緩慢測量航速，以獲取精確的數據。如果有測線測得磁異常不明顯，則使用調查區(qū)域最外側的2條備用測線進行復測。采集勘察過程中使用Ma?gLog 采集軟件采集數據（如圖11），每個交越點區(qū)域設置為一個survey工程文件，每條剖面記錄為一條測線，采樣頻率10 Hz。

圖11 交越點磁異常現場采集Fig.11 Collection of magnetic anomalies at the crossover point

3.4 數據處理及交越點位置判定

3.4.1 光纜磁異常正演曲線特征為驗證前述圖像定位法在海底光纜磁法探測中的有效性，需要以實際鋪設的海底光纜特征來構建磁性體模型，對其在直流通電狀態(tài)下的磁異常值進行正演計算，以確認光纜界面在磁異常分布圖像中所處位置。

以BtoBE 海纜勘察為例，對沿垂直于已鋪設海底光纜的測線進行磁異常正演模擬。該海纜淺水磁異?？睖y的緯度為22°N 左右，由于以近南北走向的光纜為正演模型時，A=is= 90°，正演模型可簡化為

按照近岸淺水海底海纜鋪設深度為3 m 的設計要求，如果磁力儀的探測高度為10 m，而光纜截面直徑通常僅為0.2 ～ 0.3 m。正演結果曲線如圖12所示。

圖12 走向近南北的海底光纜磁異常正演模型Fig.12 Magnetic forward model of the north-south trend cable

圖像近似對稱，異常寬度約為100 m，幅值約25 nT，光纜位置位于異常圖像幾何中心，靠近正異常幅值頂點處，即坐標軸零點位置，此結果與前圖5（d）海底電纜的磁異常曲線相類似。包裹層磁性材料產生的磁場強度相對于海底光纜遠供電流所產生的磁場強度而言，幾乎可以忽略，這也正是多數廢棄光纜不易探測到的原因。

沿BtoBE 光纜S1 段路由進行側掃作業(yè)時，我們對與路由交越的亞太2 號（APCN2）光纜S8A 段進行了實驗性探測，該光纜為正南北走向，設計埋深3 m，與正演模型假設條件一致，理論交越點水深約400 m，拖魚保持距離海底10 m的高度進行探測，交越點位置如圖13所示。

圖13 BtoBE海纜S1段與APCN2海纜S8A段交越點位置Fig.13 BtoBE S1 segment and APCN2 S8A segment intersection point

測線垂直于APCN2 光纜S8A 段，沿正東西向布設，經數據處理后，磁異常曲線如圖14 所示，和正演模型的磁異常曲線相比較，曲線形態(tài)極為相似，異常寬度略窄，約為75 m，異常幅度高略小，約22 nT，這可能是因為APCN2 光纜供電電流強度略小，或者埋設深度略深。

圖14 東西向測線異常值曲線Fig.14 Magnetic anomaly curve of EW direction line

3.4.2 數據處理過程數據處理過程包括異常值提取、磁異常濾波、磁異常平剖圖繪制。因采用拖曳式磁力儀采集，需刪除轉彎過程中受到影響的磁力值，分析水下定位數據以及對磁力儀的航速、航向進行計算，改正9 米纜后拖［14］，消除磁力儀后拖對探測定位的影響。將實測磁力值歸算到磁力拖魚位置。計算國際地磁參考場（使用igrf-13 模型）對測線進行地磁正常場校正。因每個交越點區(qū)域采集時間短，日變引起的磁場變化相對寬緩，對海底管線探測影響小［15］，文中未對測線磁異常值進行日變改正。我們對校正后的測線磁異常值進行低通濾波，以消除高頻抖動值。

以BtoBE與APG的交越點測線為例，編制濾波程序代碼，濾波效果如圖15所示。

圖15 BtoBE與APG的交越點測線磁異常值濾波Fig.15 Magnetic anomaly filtered data of the BtoBE and APG crossover point

3.4.3 交越點位置判定成果以濾波后的數據為成圖基礎數據，采用北京金浩林公司浩拓地球物理軟件平臺（version 3.5）進行磁力測線平剖圖繪制，坐標系選用WGS84，投影方式選用UTM 六度帶，中央經度115°E。

以BtoBE與APG的交越點范圍內布設的三條測線為例，經異常值提取及濾波后可見產生的磁異常變化幅度分別為28、24、26 nT（圖16）。異常值幅度的變化與磁力儀距離光纜的距離有關。繪制三條測線磁異常的平面剖面圖。用虛線勾勒連接磁異常突變的剖面幾何中點，即可得到交越光纜APG的準確走向。

圖16 BtoBE與APG光纜S6段交越點1磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.16 Magnetic sectional plan of the BtoBE and APG Section 6 intersection point 1(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

按此方法繪制其余6處交越點的已鋪設光纜異常曲線觀測平面剖面圖并推斷已鋪設光纜的走向（圖17-22）。從異常平剖圖來看，每條測線磁異常剖面完整，異常寬度在50～100 m 左右。不同的交越點，異常的正負形態(tài)有所區(qū)別，這主要是因為遠供系統(tǒng)直流電的供電方向不同。將以上7處交越點判定成果進行列表（如表1 所示），表中具體列舉了7處交越點的坐標位置以及異常幅值等具體參數。

表1 交越點磁力探測判定成果列表Table1 Achievement of magnetic detected intersection point

圖17 BtoBE與EAC光纜D段交越點磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.17 Magnetic sectional plan of the BtoBE and EAC Section D intersection point(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

圖18 BtoBE與APG光纜S6段交越點2磁力測線平剖圖（綠色虛線為附近疑似電纜）（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.18 Magnetic sectional plan of the BtoBE and APG Section 6 intersection point 2(green dotted line is suspected cable)(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

圖19 BtoBE與ASE光纜S4段交越點磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.19 Magnetic sectional plan of the BtoBE and ASE Section 4 intersection point(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

圖20 BtoBE與EAC光纜C段交越點磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.20 Magnetic sectional plan of the BtoBE and EAC Section C intersection point(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

圖21 BtoBE與FLAG光纜交越點磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.21 Magnetic sectional plan of the BtoBE and FLAG intersection point(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

圖22 BtoBE與SMW3光纜交越點磁力測線平剖圖（WGS 1984 UTM_ZONE_50N）Fig.22 Magnetic sectional plan of the BtoBE and SMW3 intersection point(WGS 1984 UTM_ZONE_50N)

4 結 論

本文在介紹海底光纜結構和磁性特征的基礎上，建立了海底光纜的磁異常模型，并由此計算磁異常正演曲線。選擇一條南北走向海底光纜的實測磁異常曲線對正演結果加以驗證。證明了海底光纜以遠供系統(tǒng)電流產生的磁場為主，且主要與電流強度和埋設深度有關的特征。由正演曲線推導出光纜位置，具體調查中可依據已掌握的光纜特征建立正演模型，推算光纜位置與正演曲線的對應關系。在研究分析磁法探測過程中，有如下結論：

1）盡可能掌握預選路由上可能交越的已鋪設電纜的歷史資料是必要條件，測線垂直與電纜理論路由布設并保證測線布設密度，采集到的磁力數據至少有3 條經過已鋪設光纜的高質量剖面是關鍵。

2）拖曳式磁力儀用于海底光纜探測時，側掃聲吶拖魚配合磁力儀下沉，能消除船磁影響、穩(wěn)定拖魚采集姿態(tài)及距離海底高度，提高探測信號強度。

3）為消除后拖對磁法探測的影響，使用高精度星站差分GPS 以及水下定位技術，并使用水下定位數據模擬磁力儀的航速、航向，改正9 m 纜后拖誤差，能大幅度提高光纜定位的準確度。

4）判定光纜位置時，可根據已知光纜大致走向，分析光纜位置與正演曲線特征的關系，結合平剖圖勾勒出已鋪設電纜走向，進而獲取交越點坐標位置。