李 晶

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

海底電纜在跨洋通訊、海上油田供電、海上風電、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，其安全運營也是海洋工程領(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、潮汐等海洋動力條件下，容易產(chǎn)生沖刷、移位等不利影響；在風暴潮、海底塌陷、海底滑坡等外部營力或漁業(yè)作業(yè)、船舶拋錨等人類活動影響下，還可能發(fā)生損傷、斷裂等事故[3]。

海底電纜的外部探測主要包括平面位置探測和埋深狀態(tài)探測。進行海纜外部探測，有助于及時掌握海底電纜的外部信息，可以為日常維護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)急搶險修復(fù)工作。

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

1 側(cè)掃聲納探測方法與應(yīng)用

側(cè)掃聲納探測是一種非常成熟的海底探測技術(shù)，它具有分辨率高、掃測范圍大、安裝使用方便、資料處理簡單、圖像識別直觀等優(yōu)點。側(cè)掃聲納技術(shù)運用海底地物對入射聲波反向散射的原理來探測海底形態(tài)，通過聲納線陣向左右兩側(cè)發(fā)射扇型波束，海底反向散射信號依時間的先后和強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)或目標物的聲學特征。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)掃聲納探測海底電纜的聲學效果圖。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)出灰度較大的強反射特征，裸露段的反射特征為連續(xù)的線形，埋藏時無反射特征；當海纜出現(xiàn)盤繞現(xiàn)象時，聲納圖像上的反映清晰而具體；海底電纜的數(shù)目、入泥點與出泥點的位置等信息，都能在聲圖上得到辨識。圖1-b是海纜遭受船舶拋錨活動破壞，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。

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

總體來說，側(cè)掃聲納用于海底電纜外部探測時，易于探測到海纜在裸露狀態(tài)下的平面位置，且能反映出海纜細節(jié)信息；同時能夠探測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，便于評估海纜的安全運營狀態(tài)；還能用于對海纜斷裂、移位等事故原因的調(diào)查。其缺點是難以探測到海纜在埋藏狀態(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 海洋磁力探測方法與應(yīng)用

海洋磁力探測是發(fā)現(xiàn)海底管線或電纜位置的常用手段。如果某一區(qū)域的磁力場受到外界鐵質(zhì)物體的入侵，將會受到鐵質(zhì)物體產(chǎn)生的相對于自身磁力場的作用，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。當磁場受到外來入侵，導(dǎo)致磁場強度出現(xiàn)了變化，那么位于附近的磁力儀會相應(yīng)地改變磁力數(shù)值，從而探測出鐵磁性物體的磁異常值和位置。

海底電纜產(chǎn)生的磁場主要來源于保護層中的鐵磁性材料以及自身的加載電流。在實際探測時，將海底電纜看作無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，來判別海底電纜的磁異常信號。根據(jù)經(jīng)驗，一般的海底電纜在距磁力儀5～10 m高度時產(chǎn)生的磁異常值約在8～30 nT左右，大致相當于直徑為0.1 m的鐵磁性水平圓柱體的磁異常值，當海底電纜不通電或動力加載電流較大時，其磁異常值也可能超出上述范圍[7]。

在使用海洋磁力儀時，通常將其拖曳于船尾一定距離，如果是木質(zhì)船體，拖纜長度宜大于1倍船長，如果是鐵質(zhì)船體，拖纜長度宜大于3倍船長，以降低船磁的干擾影響。當水深較大時，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效果。

海洋磁力儀的探測成果可以利用磁異常平面剖面圖的形式來表示，具體方法為，首先繪制磁力探測的實際航跡線，然后按照適當?shù)谋壤龑⒚總€測點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，如果沒有其他磁性體干擾，海底電纜上方的磁異常會非常明顯。圖2是在渤海某油田進行海洋磁力探測后，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到的磁異常點，即可得到海底電纜的位置和走向。

海洋磁力儀探測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，但也具有很多應(yīng)用限制和缺點。首先，其測線通常垂直于海纜路由布設(shè)，只能探測到海纜路由的一系列節(jié)點位置，不能反映出連續(xù)完整的位置及走向，特別是當海底電纜有著拐彎、曲折甚至盤繞現(xiàn)象時，難以被真實反映；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，在近平臺處、航標附近、船舶停泊區(qū)等地方易受強磁干擾，當海底電纜附近存在海底管線時易被更強的磁異常信號淹沒；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確定位，尤其是當航跡不平直或受海流橫切影響時，因拖魚擺動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 海纜探測儀工作方法與應(yīng)用

海纜探測儀屬于采用了交流載波法原理的有源電法探測設(shè)備，通常由探測發(fā)信裝置和位置或埋深接收裝置等模塊組成，能夠探測海底電纜的平面位置、埋深，以及故障點的位置。其原理為，海底電纜在通電狀態(tài)下，其芯線導(dǎo)體通過交變電流，在周圍能夠產(chǎn)生電磁場，并向外界空間傳播，通過在導(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，就可以探測到此電磁波信號，然后根據(jù)接收信號的強弱以及信號的變化情況，即可判斷出海纜的位置或埋深。當海纜發(fā)生斷裂故障后，可認為故障點已經(jīng)自然接地，海纜芯線或金屬護層已與海水構(gòu)成回路，此時，在終端通過海纜送出適當頻率和功率的交流信號電流，使得海纜周圍產(chǎn)生電磁場，該電磁場通過海水衰減后穿出海面并向空中傳播，利用探頭接收此信號，過了故障點信號將不能通過，探頭也就接收不到信號，由此可確定故障點的位置[8]。

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

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

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

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

與測深儀、側(cè)掃聲納、海洋磁力儀等成熟的海洋調(diào)查設(shè)備相比，目前海纜探測儀的生產(chǎn)尚未達到市場化的程度，國內(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)行標準與計量認證標準，也未出現(xiàn)在實際應(yīng)用中獲得公認或贊譽度較高的產(chǎn)品型號，大部分產(chǎn)品的研發(fā)還不夠全面，許多問題有待完善，比如設(shè)備不能較好地與平面定位系統(tǒng)相兼容，探測數(shù)據(jù)不能被記錄、回放及后處理等。

4 淺地層剖面探測方法與應(yīng)用

淺地層剖面儀被廣泛用于地層結(jié)構(gòu)探測，其工作原理是：在船舶走航過程中由換能器向水下鉛直發(fā)射大功率低頻脈沖的聲波，當聲波抵達水底時，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，當出現(xiàn)聲阻抗界面時，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的時間和強度也不同，通過對回波信號進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組成的聲學圖像，從而描繪出地層的剖面結(jié)構(gòu)。

不過，淺地層剖面儀探測海底管纜的原理與探測地層結(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時，發(fā)生繞射現(xiàn)象，產(chǎn)生了雙曲線形態(tài)的繞射弧來判定海底管纜的位置和埋深的，繞射弧頂點位置的坐標即為海底管纜的平面位置坐標，繞射弧頂點距海底面的反射時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圖像Fig.4 Subbottom profile image in submarine cable detection

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

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到。但在渤海蓬萊油田的工程實例表明(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圖像都十分清晰，足以被識別出，這說明在軟而均勻的地層中，淺地層剖面儀在海底電纜探測方面仍有一定的實用價值。

5 結(jié)語及展望

本文列出的海底電纜外部探測方法中，側(cè)掃聲納能夠獲得海底面一定范圍內(nèi)完整的聲學圖像，可以從中識別裸露海纜的位置分布和連續(xù)走向，還可同時探測海纜周邊的地貌異常，使其能應(yīng)用于事故調(diào)查，可以說，側(cè)掃聲納探測是進行海底電纜外部探測的必備方法；海洋磁力儀、海纜探測儀和淺地層剖面儀等探測方法可以獲得海纜路由上的不連續(xù)節(jié)點，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，海纜探測儀可以測得故障點位置，淺地層剖面儀能夠測出埋深。

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，在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合探測目的及要求、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)備探測方法替代，日后，預(yù)計海纜探測儀將會更加靈敏和完善，其應(yīng)用將會更加廣泛，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領(lǐng)域出現(xiàn)并發(fā)揮作用，高度集成而一體化的探測系統(tǒng)將被研制與生產(chǎn)[10]，其將大大提高作業(yè)效率，降低探測成本。