海洋技术-海底电缆外部探测方法与应用浅析
海底电缆在跨洋通讯、海上油田供电、海上风电、岛陆间供电与通讯、水下安防通讯等应用方面发挥着重大的作用，其安全运营也是海洋工程领域的重要议题。海底电缆敷设安装后一般浅埋或裸露于海底面，在潮流、波浪、潮汐等海洋动力条件下，容易产生冲刷、移位等不利影响； 在风暴潮、海底塌陷、海底滑坡等外部营力或渔业作业、船舶抛锚等人类活动影响下，还可能发生损伤、断裂等事故。
海底电缆的外部探测主要包括平面位置探测和埋深状态探测。进行海缆外部探测，有助于及时掌握海底电缆的外部信息，可以为日常维护检修提供宝贵的基础资料，也可以用于查找事故海缆的断裂位置，服务于应急抢险修复工作。
目前常见的海底电缆外部探测方法主要有侧扫声纳探测、海洋磁力仪探测、海缆探测仪探测、浅地层剖面仪探测等多种方法，每种方法都有其特有的优缺点，本文将从原理阐述和应用实例介绍方面对其进行简要介绍。
一、侧扫声纳探测方法与应用
侧扫声纳探测是一种非常成熟的海底探测技术，它具有分辨率高、扫测范围大、安装使用方便、资料处理简单、图像识别直观等优点。侧扫声纳技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，通过声纳线阵向左右两侧发射扇型波束，海底反向散射信号依时间的先后和强度的不同被声纳线阵接收，然后根据不同位置灰度值的不同而构成声学成像，可以直观地反映出海底微地貌形态和海底底质或目标物的声学特征。根据以上原理，如果海底电缆裸露于海底面，且与海底底质存在明显的声阻抗差异，将会清晰地反映到声纳图像中。
图1是在渤海某油田应用侧扫声纳探测海底电缆的声学效果图。其中，图1－a是海缆正常裸露状态下的声纳图像，可以看出，在底质软弱均匀的平滑海底面上，海底电缆呈现出灰度较大的强反射特征，裸露段的反射特征为连续的线形，埋藏时无反射特征；当海缆出现盘绕现象时，声纳图像上的反映清晰而具体；海底电缆的数目、入泥点与出泥点的位置等信息，都能在声图上得到辨识。图1－b是海缆遭受船舶抛锚活动破坏，被拖曳后的声纳图像，可以看出，被拖曳后的海底电缆呈灰度较大的线形强反射，抛锚痕迹呈灰度较小的弱反射，拖曳痕迹呈束装并发散的中等反射，原海缆位置在拖曳痕迹的边缘，整个声纳图像信息丰富，主次分明，可以从中还原事故发生的具体经过。
图1 海底电缆侧扫声纳探测图像
总体来说，侧扫声纳用于海底电缆外部探测时，易于探测到海缆在裸露状态下的平面位置，且能反映出海缆细节信息； 广州欧纳电子科技有限公司同时能够探测到海缆周围可能存在的不利影响因素，如不良地貌、海底障碍物、人工作业痕迹等，便于评估海缆的安全运营状态； 还能用于对海缆断裂、移位等事故原因的调查。其缺点是难以探测到海缆在埋藏状态下的信息，平面定位数据在恶劣海况、大水深条件、较强温跃层等情况干扰下，容易产生较大误差。
二、海洋磁力探测方法与应用
海洋磁力探测是发现海底管线或电缆位置的常用手段。如果某一区域的磁力场受到外界铁质物体的入侵，将会受到铁质物体产生的相对于自身磁力场的作用，从而被干扰，而且其干扰基本存在于入侵铁质物体的周围。当磁场受到外来入侵，导致磁场强度出现了变化，那么位于附近的磁力仪会相应地改变磁力数值，从而探测出铁磁性物体的磁异常值和位置。
海底电缆产生的磁场主要来源于保护层中的铁磁性材料以及自身的加载电流。在实际探测时，将海底电缆看作无限延伸的水平圆柱体，然后根据磁力仪距水平圆柱体铁磁性物体的距离不同所产生的磁异常值的大小，来判别海底电缆的磁异常信号。根据经验，一般的海底电缆在距磁力仪5～10m高度时产生的磁异常值约在8～30nT左右，大致相当于直径为0.1m 的铁磁性水平圆柱体的磁异常值，当海底电缆不通电或动力加载电流较大时，其磁异常值也可能超出上述范围。
在使用海洋磁力仪时，通常将其拖曳于船尾一定距离，如果是木质船体，拖缆长度宜大于1倍船长，如果是铁质船体，拖缆长度宜大于3倍船长，以降低船磁的干扰影响。当水深较大时，可在磁力仪拖体或拖缆上加装铅块等配重使之下沉，然后通过调节船舶的航速，将拖体的距底高度控制在5～10m范围，以便取得较好的探测效果。
海洋磁力仪的探测成果可以利用磁异常平面剖面图的形式来表示，具体方法为，首先绘制磁力探测的实际航迹线，然后按照适当的比例将每个测点的磁异常值垂直投影到航迹线上，即可直观地判断整条航迹线上的磁异常值变化情况，如果没有其他磁性体干扰，海底电缆上方的磁异常会非常明显。图2是在渤海某油田进行海洋磁力探测后，根据磁异常成果绘制的平面剖面图，连接每条航迹线上探测到的磁异常点，即可得到海底电缆的位置和走向。
图2 海缆路由区磁异常平面剖面图
海洋磁力仪探测海底电缆不受其埋设状态的限制，不管是裸露还是浅埋状态都能有效探测，但也具有很多应用限制和缺点。首先，其测线通常垂直于海缆路由布设，只能探测到海缆路由的一系列节点位置，不能反映出连续完整的位置及走向，特别是当海底电缆有着拐弯、曲折甚至盘绕现象时，难以被真实反映；其次，其作业容易受到外界环境的干扰，比如在近岸或渔业区其拖体易被渔网缠绕或刮断，在近平台处、航标附近、船舶停泊区等地方易受强磁干扰，当海底电缆附近存在海底管线时易被更强的磁异常信号淹没；再次，其平面定位精度较差，这主要是由于拖体在水中难以被准确定位，尤其是当航迹不平直或受海流横切影响时，因拖鱼摆动造成的定位误差更大； 此外，在确定海底电缆埋深方面，目前仍没有较好的反演方法。
三、海缆探测仪工作方法与应用
海缆探测仪属于采用了交流载波法原理的有源电法探测设备，通常由探测发信装置和位置或埋深接收装置等模块组成，能够探测海底电缆的平面位置、埋深，以及故障点的位置。其原理为，海底电缆在通电状态下，其芯线导体通过交变电流，在周围能够产生电磁场，并向外界空间传播，通过在导磁率很高的棒形铁芯上绕制铜线圈做成探头，并配以合适的电容，使其在特定频率上谐振，就可以探测到此电磁波信号，然后根据接收信号的强弱以及信号的变化情况，即可判断出海缆的位置或埋深。
当海缆发生断裂故障后，可认为故障点已经自然接地，海缆芯线或金属护层已与海水构成回路，此时，在终端通过海缆送出适当频率和功率的交流信号电流，使得海缆周围产生电磁场，该电磁场通过海水衰减后穿出海面并向空中传播，利用探头接收此信号，过了故障点信号将不能通过，探头也就接收不到信号，由此可确定故障点的位置。
目前，交流载波法方法较为成熟，受影响因素少，处理解译简单，因而，海缆探测仪具有使用方便、灵敏度高、适用性好等优点。在实际应用时，探头不用入水安装，直接固定在船舷、临空悬挂即可，在我国多选择50Hz的工频脉冲频率进行探测，测线走向垂直于海缆路由方向，接收信号图形一般呈“M”形，海缆的位置通常在“M”图形的中点波谷处，图3为在渤海某油田使用海缆探测仪取得的信号异常图像，其波形与上述描述一致，较为典型。
图3 海缆探测仪成果图像
在使用过程中，探头要远离船舶主机与辅机，尽量保持垂直向下，尽可能关闭移动发电机，切断附近的用电设施，以降低背景电磁信号的干扰。另外，尽管海缆探测仪在用于探测海缆路由平面位置时效率较高，但在探测埋深时需要将探头贴近海底面，并横切海缆路由移动，这不仅降低了效率，还大大增加了作业难度，因此，海缆埋深探测的实际应用较为少见。
与海洋磁力仪的探测结果类似，海缆探测仪得到的是一系列海缆路由节点的位置，无法形成连续完整的平面位置及走向。另外，根据经验统计，在渤海海上油田区，约有近一半的海底供电电缆仍然无法被海缆探测仪探测出，这些海缆的共同特点是工频电场强度较小，未探测到的原因可能与设备探头对信号的去噪及放大程度不够有关。
与测深仪、侧扫声纳、海洋磁力仪等成熟的海洋调查设备相比，目前海缆探测仪的生产尚未达到市场化的程度，国内的生产主要以企业定制与科研院校研发为主，缺乏统一的生产执行标准与计量认证标准，也未出现在实际应用中获得公认或赞誉度较高的产品型号，大部分产品的研发还不够全面，许多问题有待完善，比如设备不能较好地与平面定位系统相兼容，探测数据不能被记录、回放及后处理等。
四、浅地层剖面探测方法与应用
浅地层剖面仪被广泛用于地层结构探测，其工作原理是: 在船舶走航过程中由换能器向水下铅直发射大功率低频脉冲的声波，当声波抵达水底时，部分反射，部分继续向地层深处传播，由于地层结构的复杂性，当出现声阻抗界面时，又有部分声波被反射，这样，根据反射界面的特性和深度的不同，换能器接收到回波信号的时间和强度也不同，通过对回波信号进行放大和滤波等处理后，送入记录器，就可以形成由不同灰度的点组成的声学图像，从而描绘出地层的剖面结构。
不过，浅地层剖面仪探测海底管缆的原理与探测地层结构并不相同，它是根据声波在遇到地层中的管线或电缆等突变点时，发生绕射现象，产生了双曲线形态的绕射弧来判定海底管缆的位置和埋深的，绕射弧顶点位置的坐标即为海底管缆的平面位置坐标，绕射弧顶点距海底面的反射时程折算成距离即为海底管缆的埋深。
应用浅地层剖面仪探测海底管缆，其分辨率高、位置精度高、能同时探测出埋深，且不受探测目标是否为铁磁性体、是否通电等因素的影响，只要目标与周围地层间存在明显的声阻抗差异，基本都能够被探测到。在实际应用中，更多被用于探测海底管线，管线直径越大，与地层间的声阻抗差异越明显，探测效果越好。经验表明，当海底管线直径小于4英寸时，基本很难被探测到；在淤泥或黏性土地层中的探测效果较好，在砂土或碎石土中探测效果较差。和海底管线相比，海底电缆通常直径较小，组成材料中含有较多纤维及塑料，密度较小，使得与地层间的声阻抗差异小，经常难以被浅地层剖面仪探测到。但在渤海蓬莱油田的工程实例表明(图4)，由于管缆路由区的表层沉积物松软且均匀，5条海底管道和6条海底电缆的浅地层剖面声学图像都十分清晰，足以被识别出，这说明在软而均匀的地层中，浅地层剖面仪在海底电缆探测方面仍有一定的实用价值。
图4 海底电缆浅地层剖面探测图像
五、结语及展望
本文列出的海底电缆外部探测方法中，侧扫声纳能够获得海底面一定范围内完整的声学图像，可以从中识别裸露海缆的位置分布和连续走向，还可同时探测海缆周边的地貌异常，使其能应用于事故调查，可以说，侧扫声纳探测是进行海底电缆外部探测的必备方法；海洋磁力仪、海缆探测仪和浅地层剖面仪等探测方法可以获得海缆路由上的不连续节点，其连线能够反映出海缆路由的平面位置，其中，海洋磁力仪应用广泛，海缆探测仪可以测得故障点位置，浅地层剖面仪能够测出埋深。
每种方法都有其适用范围及条件，都有着应用限制和优缺点，在实际应用中，应结合探测目的及要求、工作条件、海洋环境条件、工期要求等多方面因素，合理选择搭配探测方法。海洋调查设备制造技术的发展，使得传统的潜水探摸等手段逐渐被电子设备探测方法替代，日后，预计海缆探测仪将会更加灵敏和完善，其应用将会更加广泛，而扫描声纳、合成孔径声纳等方法也将逐渐在海底电缆探测领域出现并发挥作用，高度集成而一体化的探测系统将被研制与生产，其将大大提高作业效率，降低探测成本。