石杰棟，錢長(zhǎng)海，王嘉增，高俊奇

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082；2.哈爾濱工程大學(xué) 青島創(chuàng)新發(fā)展基地，山東 青島 150001）

0 引言

海底纜線系統(tǒng)的需求不斷擴(kuò)大，伴隨著海底纜線鋪設(shè)和維護(hù)過(guò)程中對(duì)區(qū)域內(nèi)的海纜進(jìn)行探測(cè)定位的需求不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的有源磁探測(cè)需要海纜中通過(guò)直流或者交流電，通過(guò)法拉第效應(yīng)引起海纜周圍環(huán)境介質(zhì)中磁場(chǎng)的變化，要求海纜能正常運(yùn)作傳輸電流，但產(chǎn)生的電磁波在海水中衰減迅猛，適用范圍較小。如圖1所示為掩埋海纜的磁異常探測(cè)示意圖。磁異常信號(hào)的傳遞在空氣-水介質(zhì)環(huán)境中不受影響，能夠自由穿透這2 種不同的介質(zhì)，且磁異常信號(hào)的特征可以反映出目標(biāo)物的形態(tài)等特征[1-2]，相較于其余探測(cè)方式具有較好的物理特性基礎(chǔ)[3-4]。

圖1 掩埋海纜磁探測(cè)示意圖Fig.1 Magnetic detection diagram of a buried submarine cable

PEI 等人將磁梯度儀集成在AUV（水下自主潛航器）上，融合了磁力數(shù)據(jù)與AUV 導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其平臺(tái)磁噪聲和海試測(cè)量結(jié)果表明該探測(cè)方案對(duì)于淺水埋藏物的探測(cè)非常有效，但是在深水區(qū)域內(nèi)仍舊存在一定誤差[5]；JACOBI 等人設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)傳感器及其融合塊組成的AUV 管道/電纜檢測(cè)系統(tǒng)，其跟蹤性能優(yōu)異，但是并未進(jìn)行船上試驗(yàn)[6]。牛澤民等研究了一種雙三維磁學(xué)海底纜線探測(cè)系統(tǒng)，并基于水下機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)了海纜路由與埋深的探測(cè)方案，在模擬仿真試驗(yàn)條件下證明了利用搭載三維磁學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的水下機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行海底纜線探測(cè)跟蹤的技術(shù)方案是可行的，但是并未進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)[7]；楊敏等人分析了海洋磁力儀可以通過(guò)磁異常分布探測(cè)各種不同直徑的海底管道，但只能探測(cè)平面位置，不能對(duì)懸空或著掩埋深度進(jìn)行探測(cè)[8]；王艷等人對(duì)淺地層剖面儀在海纜探測(cè)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析討論，結(jié)果表明淺地層剖面儀對(duì)淺地層的分辨率較高，但是無(wú)法完全解決分辨細(xì)小電纜目標(biāo)體的關(guān)鍵問(wèn)題[9]。

海纜磁異常探測(cè)的難點(diǎn)在于其自身長(zhǎng)徑比非常大，無(wú)法簡(jiǎn)單對(duì)其等效為磁偶極子源[10]，傳統(tǒng)的磁異常探測(cè)理論無(wú)法適用，因而本文通過(guò)對(duì)海纜的數(shù)理模型采用微分有限元方法進(jìn)行仿真計(jì)算，可靠性得到有效提高，并且得到了海纜檢測(cè)距離（DCPA）、海纜長(zhǎng)度（L）以及背景磁場(chǎng)對(duì)其磁異常信號(hào)的影響規(guī)律，可為海纜無(wú)源磁探測(cè)發(fā)展應(yīng)用提供參考。

1 海纜磁異常探測(cè)理論

1.1 海纜微元與磁偶極子模型的關(guān)系

如圖2所示，一段常規(guī)雙層鎧裝結(jié)構(gòu)海纜可以沿其長(zhǎng)度方向分割成若干個(gè)細(xì)小微元段，假定海纜總長(zhǎng)為L(zhǎng)則微元長(zhǎng)度為dL。海纜直徑方向通常不會(huì)超過(guò)0.1 cm，實(shí)測(cè)距離D一般為3 m，此時(shí)微元的幾何尺寸遠(yuǎn)小于探測(cè)距離，滿足磁偶極子理論要求，可按照磁偶極子模型對(duì)海纜微元求解在探測(cè)點(diǎn)處的磁異常強(qiáng)度。

圖2 海纜微元示意圖Fig.2 Schematic diagram of submarine cable microelements

考慮到實(shí)際應(yīng)用中，海纜鋪設(shè)長(zhǎng)度都較長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于其直徑，因而將其等效為無(wú)限長(zhǎng)細(xì)圓柱模型。設(shè)定作用于海纜的外磁場(chǎng)分量為He，如圖3所示，當(dāng)其作用于海纜鐵磁性材料上時(shí)，會(huì)在三維空間坐標(biāo)軸X、Y、Z方向上產(chǎn)生感應(yīng)磁矩mx、my、mz[15]：

圖3 海纜磁化示意圖Fig.3 Schematic diagram of submarine cable magnetization

式中，Nx、Ny、Nz分別表示海纜在X、Y、Z方向上的退磁因子，該物理量可根據(jù)海纜的型狀和幾何尺寸確定為某一定值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行確認(rèn)[11-12]。

在確定其感應(yīng)磁矩后可根據(jù)式（2）矩陣運(yùn)算，求得海纜在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中ai、bi、ci（i=x，y，z）為海纜的磁場(chǎng)計(jì)算系數(shù)，與海纜無(wú)限長(zhǎng)圓柱的形狀有關(guān)。圓柱體磁場(chǎng)計(jì)算系數(shù)通用計(jì)算公式為

聯(lián)合以上各式即可求得海纜在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由圖2 可知該模型由很多個(gè)海纜微元組成，單個(gè)微元尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測(cè)距離D，故單個(gè)微元可等效為單一磁偶極子模型，當(dāng)其處于地磁場(chǎng)中被磁化，外磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁矩分別為dmx、dmy、dmz[15-16]：

該海纜微元在空間任一點(diǎn)的產(chǎn)生的磁場(chǎng)則為[17]

針對(duì)以上2 個(gè)矩陣方程進(jìn)行積分計(jì)算即可得到海纜近場(chǎng)空間任意一點(diǎn)的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度準(zhǔn)確解。

1.2 無(wú)限長(zhǎng)圓柱海纜模型推算

由于探測(cè)點(diǎn)在海纜正上方，而海纜模型關(guān)于Y軸對(duì)稱（Y軸正、負(fù)方向?qū)ΨQ的微元受外磁場(chǎng)Hey影響產(chǎn)生的磁異常強(qiáng)度在探測(cè)點(diǎn)被相互抵消），在進(jìn)行探測(cè)時(shí)探測(cè)的是局部海纜，故只考慮X、Z分量的外磁場(chǎng)Hex、Hez影響，此時(shí)外磁場(chǎng)對(duì)海纜微元產(chǎn)生的感應(yīng)磁矩為[13-14]：

圓柱鐵磁體退磁因子N的經(jīng)驗(yàn)公式如下（其中λ=L/r為海纜的細(xì)長(zhǎng)比，趨于無(wú)窮：

當(dāng)海纜趨于無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)候，Nx=0，Ny=Nz=1/2。則海纜在空間任一點(diǎn)的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為

解以上積分方程組可得：

式中：

以上磁場(chǎng)分量的求解均已化簡(jiǎn)至只與空間坐標(biāo)X、Y、Z有關(guān)的表達(dá)式，可根據(jù)求解點(diǎn)的空間坐標(biāo)對(duì)海纜在該店的磁場(chǎng)強(qiáng)度直接求解[15]。

2 海纜磁異常特性研究

2.1 海纜磁異常仿真計(jì)算方法對(duì)比

為將仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)理論值進(jìn)行對(duì)比，此次仿真以一個(gè)與海纜結(jié)構(gòu)較為相似的長(zhǎng)圓柱鐵棒為例，將COMSOL 算法、磁偶極子理論和微元磁偶極子理論（MATLAB）進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證COMSOL 有限元仿真算法的準(zhǔn)確性和精確度。統(tǒng)一設(shè)置圓柱體長(zhǎng)度方向沿X軸，長(zhǎng)度L=0.5 m，直徑d=0.1 m，相對(duì)磁導(dǎo)率50，背景地磁設(shè)置如表1所示。

表1 背景地磁場(chǎng)Table 1 Background geomagnetic field

垂直于圓柱體長(zhǎng)度的垂向磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小，沿著圓柱體長(zhǎng)度的軸向強(qiáng)度更大，與微元磁偶極子模型（MATLAB）中的數(shù)據(jù)匹配度更高。因而選取圓柱平行于軸向測(cè)線數(shù)據(jù)作為COMSOL 有效參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，仿真示意如圖4所示，3 種模型的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 0.5 m 圓柱體三磁場(chǎng)模型仿真結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of simulation results of three-magnetic field model for a 0.5 m cylinder

圖4 海纜仿真情況示意圖Fig.4 Schematic diagram of submarine cable simulation

由圖5 和表3 可知COMSOL 模型真實(shí)近場(chǎng)在不同近場(chǎng)范圍內(nèi)的衰減指數(shù)均與微元磁偶極子衰減指數(shù)近乎一致，而磁偶極子模型在任一距離范圍內(nèi)的衰減指數(shù)均為-3，與前兩者差異較大。

表3 0.5 m 鐵磁性圓柱體磁場(chǎng)模型衰減擬合指數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of fitting index of attenuation of magnetic field model for a 0.5 m ferromagnetic cylinder

圖5 衰減指數(shù)擬合結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of fitting results of attenuation index

為避免偶然情況，長(zhǎng)度L=1 m，再次進(jìn)行仿真計(jì)算，所得結(jié)果如表4所示，結(jié)合L=0.5 m 時(shí)的衰減擬合指數(shù)情況對(duì)比可知：

表4 1 m 鐵磁性圓柱體的COMSOL 模型衰減擬合指數(shù)Table 4 COMSOL model attenuation fitting index of a 1 m ferromagnetic cylinder

1）當(dāng)檢測(cè)距離DCPA小于L時(shí)（近場(chǎng)），其衰減擬合指數(shù)均為2 左右，進(jìn)而推斷海纜長(zhǎng)徑比差異較大的物理模型，近遠(yuǎn)場(chǎng)分界線極有可能為DCPA=L處，并非單純的磁偶極子模型默認(rèn)的DCPA≥3L，表明海纜磁場(chǎng)模型不能簡(jiǎn)單視為磁偶極子模型進(jìn)行仿真計(jì)算，需要根據(jù)其物理尺寸重新進(jìn)行區(qū)分近、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分對(duì)待。

2）海纜實(shí)際探測(cè)工程中的探測(cè)距離DCPA一般在1～3 m，屬于海纜磁異常模型的近場(chǎng)情況，與前文所推演的無(wú)限長(zhǎng)海纜微元模型相符，而COMSOL 仿真結(jié)果又與該微元模型的MATLAB 計(jì)算結(jié)果十分一致，因而采用COMSOL 進(jìn)行有限元仿真具有一定的可靠性。

如圖6所示為海水-泥沙介質(zhì)掩埋海纜示意情況和計(jì)算結(jié)果。設(shè)定掩埋海纜的泥沙等海底介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率為0.999 917，而海水為0.999 99。此時(shí)By=14 nT，Bz=43 nT，與單一空氣介質(zhì)（相對(duì)磁導(dǎo)率為1）情況結(jié)果十分接近?？蛇M(jìn)一步推斷，海纜磁異常信號(hào)可自由穿越海水、泥沙石等不同海底介質(zhì)，磁異常探測(cè)方法在海底跨介質(zhì)（相對(duì)磁導(dǎo)率差距較小情況）無(wú)影響，適用于海底光纜的探測(cè)。

圖6 L=1 m，DCPA=3 m 掩埋海纜磁異常信號(hào)情況Fig.6 Magnetic anomaly signals of a buried submarine cablewhenL=1 m，DCPA=3 m

2.2 檢測(cè)距離（DCPA）的衰減特性研究

仿真條件：南北鋪設(shè)方向，海纜直徑3.2 cm，長(zhǎng)度L=1 m。分別設(shè)置DCPA=1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m。

為便于后期試驗(yàn)驗(yàn)證[15-17]，將海纜磁異常信號(hào)投影在垂直于X軸的平面。如圖7所示從上至下分別為海纜磁異常信號(hào)X、Y、Z三軸磁異常信號(hào)投影，X、Y、Z峰值分別為-4.62 μT、24.2 μT、49.5 μT。與表1 中背景磁場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知二者總體數(shù)值大小較為接近，仿真圖的數(shù)值以背景磁場(chǎng)為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)，驗(yàn)證了磁異常是在背景地磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，由于鐵磁性目標(biāo)物自身磁學(xué)特性產(chǎn)生的微弱地磁擾動(dòng)。

圖7 南北走向海纜仿真磁異常信號(hào)三軸投影圖Fig.7 Three-axis projection of simulated magnetic anomaly signals of north-south trend submarine cable

相較于背景磁場(chǎng)，磁異常擾動(dòng)屬于極其微小的弱磁信號(hào)，當(dāng)其與背景磁場(chǎng)疊加在一起時(shí)，難以進(jìn)行辨認(rèn)區(qū)分。因而需要對(duì)其進(jìn)行去背景磁場(chǎng)處理，將該平面內(nèi)的磁異常信號(hào)從疊加信號(hào)中分離出來(lái)，便于對(duì)比分析。仿真所得1 m 海纜在不同檢測(cè)距離DCPA產(chǎn)生的磁異常弱磁信號(hào)如圖8。

圖8 L=1 m 海纜南北走向磁異常一維曲線圖情況Fig.8 1D curve of north-south trend magnetic anomaly of a submarine cable when L=1 m

一維磁異常曲線中空間三軸的信號(hào)波形各不相同，X、Y、Z三軸磁信號(hào)均是從海纜兩端向中間逐漸出現(xiàn)起伏變化，關(guān)于海纜中間呈現(xiàn)出一定對(duì)稱分布特性。其中Y、Z信號(hào)分量波形為對(duì)稱單峰軸對(duì)稱曲線，X信號(hào)分量則為雙峰點(diǎn)對(duì)稱曲線，與其三維分量圖形一一對(duì)應(yīng)。

海纜檢測(cè)距離DCPA依次增加，在信號(hào)波形輪廓總體不變的情況下，隨DCPA的增加會(huì)逐漸向信號(hào)水平方向拉伸擴(kuò)散，因而展現(xiàn)出信號(hào)波形逐漸由“窄”變“寬”。根據(jù)這一現(xiàn)象可以預(yù)估：當(dāng)DCPA增加至一定程度時(shí)，需要有更長(zhǎng)的相對(duì)移動(dòng)距離才能保證信號(hào)的完整性。與此同時(shí)，X、Y磁異常分量強(qiáng)度隨著DCPA的增加呈現(xiàn)出明顯衰減趨勢(shì)，且X分量衰減速率相較于Y分量更快，導(dǎo)致兩分量強(qiáng)度在DCPA=1 m 時(shí)的基本接近，在DCPA=3.5 m 時(shí)卻變化為X分量強(qiáng)度小于Y分量的1/2。

因而在進(jìn)行仿真或者實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，為保證結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性和說(shuō)服力，應(yīng)該在進(jìn)行探究之前，根據(jù)需要進(jìn)行研究的DCPA區(qū)間對(duì)磁力儀和海纜直接相對(duì)移動(dòng)距離進(jìn)行調(diào)整統(tǒng)一，使該最佳相對(duì)移動(dòng)距離既能在DCPA較小時(shí)能看清磁異常信號(hào)，波形不至于尖銳而導(dǎo)致信號(hào)難以辨認(rèn)；在DCPA較大時(shí)能保證信號(hào)整個(gè)波形趨勢(shì)完整，便于區(qū)分辨認(rèn)。

除此以外，空間三軸磁異常分量在強(qiáng)度大小方面也存在較為明顯的區(qū)別，水平分量X、Y強(qiáng)度在DCPA=1 m 時(shí)較為接近，垂直方向的Z分量遠(yuǎn)小于水平兩分量（故不做參考）。其峰值具體數(shù)據(jù)大小整理如表5所示，當(dāng)檢測(cè)距離DCPA由1 m 按等間距0.5 m 逐漸變化至3.5 m 時(shí)，Bx、By分別由270.56 nT、327.5 nT 衰減到4.42 nT、17.32 nT，衰減較為劇烈。由于X、Y分量信號(hào)存在一定差異，故分別對(duì)兩分量按照公式y(tǒng)=a·x^b進(jìn)行曲線擬合，以便于直觀比較。擬合曲線如圖9所示，X、Y分量的擬合衰減指數(shù)b分別為-2.76、-2.52，基本符合海纜近場(chǎng)磁信號(hào)隨距離的衰減規(guī)律（3L＞DCPA＞L時(shí)衰減指數(shù)約為-2.8）。表明該項(xiàng)仿真探究符合相應(yīng)原理規(guī)律，具有一定真實(shí)可靠性，可用于實(shí)際探測(cè)參考。

表5 1 m 海纜磁異常分量Table 5 Magnetic anomaly components of a 1 m submarine cable

圖9 線纜南北走向擬合情況Fig.9 North-south direction fitting condition of a cable

2.3 海纜長(zhǎng)度（L）特性研究

仿真條件：南北鋪設(shè)方向，海纜直徑3.2 cm，分別設(shè)置海纜長(zhǎng)度L=5 m，10 m，15 m，20 m，30 m，35 m。

在此次仿真過(guò)程中，由于海纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為了使仿真結(jié)果更為全面，故取DCPA=10 m 作為探測(cè)距離進(jìn)行探究，圖10 為DCPA=10 m 時(shí)不同長(zhǎng)度海纜磁異常信號(hào)情況。雖然海纜長(zhǎng)度L平行于線纜移動(dòng)方向的Y軸磁異常分量信號(hào)最大，但是Y軸分量與Z軸分量均為單峰信號(hào)，且差距懸殊。在背景噪音和本底噪音的影響，可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)難以分辨，故選雙峰信號(hào)X軸分量作為參考，以防實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中背景環(huán)境和設(shè)備本底噪音干擾。

圖10 DCPA=10 m 時(shí)海纜磁異常情況Fig.10 Magnetic anomaly of a submarine cable whenDCPA=10 m

從圖10 可看出隨著L的逐漸增加，磁異常信號(hào)的波形呈現(xiàn)出前文“檢測(cè)距離DCPA的影響”中類似的規(guī)律：信號(hào)波形隨L的增加而逐漸變“寬、圓潤(rùn)”。隨著信號(hào)強(qiáng)度的逐步增加到一定程度后，磁異常信號(hào)強(qiáng)度基本不再變化，信號(hào)波形向水平方向兩端拉伸延展，“圓潤(rùn)”得尤為明顯，甚至在L=40 m 時(shí)波形曲線出現(xiàn)一定程度的局部變形。

將圖中數(shù)據(jù)匯總為表6 即可觀測(cè)控制變量條件下海纜磁異常強(qiáng)度受其長(zhǎng)度的影響的情況，將其繪制為折線變化趨勢(shì)圖如圖11所示，從中可看出：

表6 DCPA=10 m 時(shí)海纜磁異常總場(chǎng)強(qiáng)度受長(zhǎng)度影響情況Table 6 Magnetic anomaly total intensity of a submarine cable affected by its length whenDCPA=10 m

圖11 DCPA=10 m 時(shí)海纜磁異常信號(hào)強(qiáng)度隨其長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.11 When DCPA=10 m，magnetic anomaly signal intensity of a submarine cable changes with its length

1）海纜長(zhǎng)度L的增加對(duì)線纜產(chǎn)生的磁異常信號(hào)只能在一定程度范圍內(nèi)增加，當(dāng)長(zhǎng)度超出這一區(qū)間上限以后，海纜磁異常信號(hào)強(qiáng)度也不會(huì)再增加。在DCPA=10 m 時(shí)，當(dāng)L大于20 m 后磁異常信號(hào)尖峰就趨向平滑，L=40 m 時(shí)相較于L＜400 m 時(shí)的情況基本可視為磁異常信號(hào)強(qiáng)度不再增加不能作為有效檢測(cè)信號(hào)。

2）海纜磁異常信號(hào)強(qiáng)度隨L增加的速率在該L區(qū)間內(nèi)也各不相同，存在一個(gè)最佳長(zhǎng)度L使得該線纜的磁異常信號(hào)能發(fā)揮最大效率。在DCPA=10 m時(shí)，最佳長(zhǎng)度L在0～10 m 之間，當(dāng)L處于這一區(qū)間時(shí)，磁異常信號(hào)強(qiáng)度增長(zhǎng)斜率大，增長(zhǎng)速率最快，線纜磁異常效益最好，其次是10～20 m 長(zhǎng)度區(qū)間。考慮到試驗(yàn)環(huán)境條件的干擾以及磁異常衰減規(guī)律，綜合看來(lái)選取海纜長(zhǎng)度L在10～20 m 最為適合。

2.4 背景磁場(chǎng)特性研究

仿真條件：檢測(cè)距離DCPA=3 m，南北鋪設(shè)方向，海纜直徑3.2 cm，長(zhǎng)度L=1 m。分別設(shè)置仿真地點(diǎn)為赤道、南極、北極，其背景磁場(chǎng)條件如表7所示。

表7 不同仿真地點(diǎn)背景磁場(chǎng)Table 7 Background magnetic fields at different simulated locations

對(duì)比赤道、南極、北極三處的背景磁場(chǎng)，從表7 中可知北極背景磁場(chǎng)基本集中在垂直方向Z軸上，達(dá)到了56 μT，水平分量?jī)H有1.8 μT；南極垂直方向Z 分量也有52 μT，水平分量則有16 μT；赤道X、Y、Z方向的分量雖然也有一定強(qiáng)度差異，但是水平分量（28 μT）和垂直分量（10 μT）強(qiáng)度相差較小且主要集中在水平分量上。就背景磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，赤道和南極的分布情況相對(duì)來(lái)說(shuō)較為接近（水平分量和垂直分量在一個(gè)數(shù)量級(jí)，較強(qiáng)的分量大致為較弱分量強(qiáng)度的3 倍）。

圖12 分別表示背景磁場(chǎng)設(shè)為赤道、南極、北極3 個(gè)地點(diǎn)時(shí)，海纜的磁異常一維曲線圖。赤道和南極的磁異常信號(hào)X、Y、Z分量的波形十分相似，區(qū)別主要在于信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)值大?。ǔ嗟繠x=11.82 nT，By=25.46 nT；南極Bx=3.66 nT，By=7.77 nT）。但是背景磁場(chǎng)是北極時(shí)，海纜磁異?？臻g分量都極小，不到0.5 nT，在赤道和南極最小的Z分量反而此時(shí)成為強(qiáng)度最大的空間分量。

圖12 不同地點(diǎn)條件下線纜磁異常情況Fig.12 Cable magnetic anomalies at different locations

造成這些差異現(xiàn)象的原因很可能就是其背景磁場(chǎng)的異同：

1）赤道和南極的背景磁場(chǎng)分布較為相似，當(dāng)背景磁場(chǎng)作為仿真唯一變量時(shí)，海纜磁異常信號(hào)表現(xiàn)也極為一致（強(qiáng)度大小有區(qū)別，曲線和圖譜趨勢(shì)基本一致）；

2）北極背景磁場(chǎng)基本集中在垂直方向Z軸，可近似看作該地點(diǎn)僅有垂直方向的背景磁場(chǎng)，也就是說(shuō)海纜處于該背景下，基本僅垂直方向的鐵磁層厚度d對(duì)地磁產(chǎn)生了干擾（水平方向無(wú)地磁分量穿透鐵磁層），故產(chǎn)生的磁異常十分微弱且以Z分量為主，仿真結(jié)果也一定程度上體現(xiàn)了該特殊背景磁場(chǎng)的影響。

由此可知，處于不同背景磁場(chǎng)下，海纜磁信號(hào)不僅會(huì)在波形上發(fā)生變化，而且磁信號(hào)強(qiáng)度差別也十分明顯。進(jìn)行海纜檢測(cè)的應(yīng)用需要根據(jù)當(dāng)?shù)乇尘按艌?chǎng)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真，當(dāng)應(yīng)用地點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)改變相應(yīng)參數(shù)，否則會(huì)導(dǎo)致仿真失去本身參考價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

從海纜自身結(jié)構(gòu)和材料的磁場(chǎng)特性出發(fā)，結(jié)合磁偶極子模型和微元積分方法，構(gòu)建了無(wú)限長(zhǎng)海纜近場(chǎng)磁場(chǎng)模型。并且通過(guò)約化場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，在保證精確度的同時(shí)極大減少了繁冗的計(jì)算量，探究了不同因素對(duì)海纜磁探測(cè)的影響情況：1）海纜近場(chǎng)模型磁異常信號(hào)隨檢測(cè)距離DCPA的增加而衰減（DCPA＜L時(shí)衰減指數(shù)約為-2，3L＞DCPA＞L時(shí)衰減指數(shù)約為-2.8，DCPA＞3L時(shí)衰減指數(shù)約為-3，故將海纜近場(chǎng)模型簡(jiǎn)單的等效為衰減指數(shù)為-3 的磁偶極子模型并不準(zhǔn)確）；2）海纜的磁異常信號(hào)在某固定的檢測(cè)距離條件下，在一定海纜長(zhǎng)度的區(qū)間內(nèi)會(huì)隨長(zhǎng)度的增加而明顯增大，當(dāng)超出區(qū)間上限時(shí)，磁異常信號(hào)強(qiáng)度基本不再增加，轉(zhuǎn)而向信號(hào)左右兩側(cè)延展，發(fā)生一定程度的畸變，此時(shí)不能作為探測(cè)參考依據(jù)；3）即使背景磁場(chǎng)的總場(chǎng)強(qiáng)度近乎一致，但當(dāng)其空間分量發(fā)生變化時(shí)（此時(shí)穿透鐵磁層的路徑發(fā)生變化）不僅可能改變海纜磁異常信號(hào)的強(qiáng)度大小，還可能改變其信號(hào)圖譜波形。