浅析测扫声呐在海底电缆检测中的应用

浅析测扫声呐在海底电缆检测中的应用

发表时间：2017-12-25T10:36:06.693Z 来源：《电力设备》2017年第24期作者：邓姗姗陈航伟黄小卫

[导读] 摘要：海底电缆周围复杂多变的环境条件，人类海样频繁的海洋活动，对海底电缆的安全稳定运行均有可能造成危害，为了确定海底电缆本体及周围环境的变化情况，有必要对海底电缆进行相关检测，以便及时发现海底电缆的风险点及薄弱点，及时采取有效措施，杜绝事故的发生。

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局广州 510405）

摘要：海底电缆周围复杂多变的环境条件，人类海样频繁的海洋活动，对海底电缆的安全稳定运行均有可能造成危害，为了确定海底电缆本体及周围环境的变化情况，有必要对海底电缆进行相关检测，以便及时发现海底电缆的风险点及薄弱点，及时采取有效措施，杜绝事故的发生。对应用测扫声呐系统检测海底电缆所处路由的地形地貌情况、海底电缆保护情况及周围环境状况的方式进行了分析与探讨。。

关键词：海底电缆；侧扫声呐；检测；地形地貌

1 引言

随着海洋资源调查和海洋开发进程的加快，以及近海风电技术的发展，海底电缆的应用越来越广泛。海底电缆周围运行环境复杂多变，海浪和洋流的冲刷、环境腐蚀、海洋生物影响以及人类海洋施工、捕捞、渔业养殖、船舶抛锚等都可能危及到海底电缆的安全[1]。一般情况下，海底电缆施工时会采用深埋、抛石坝、铸铁套管等保护方式，以防止外力破坏。但是负责多变的海洋环境及人类在海缆路由区域的各种活动，会使海底电缆的保护方式发生各种各样的改变，一旦海底电缆发生故障，修复施工技术难度高，价格昂贵，持续周期厂，势必会造成重大的经济损失及政治影响。因此有必要对海底电缆进行各种各样的检测，以确定其运行环境的安全，而侧扫声呐则是一种方面、简单、成本较低的检测方式。

2 测扫声呐检测系统工作原理

利用测扫声呐检测系统对海底电缆路由区域进行地形地貌检测，可以获取海底电缆路由声学影像，对影像进行分析，辨识海底电缆裸露和悬空情况，确定裸露段、悬空段的长度、对应的水深、地形地貌等，能够获取海底电缆上方石坝的外观状态，是否存在塌散或变形，能够发现海底电缆路由残存海床的锚具、锚链、缆绳须进行位置坐标检测和着床姿态检测。

测扫声呐检测时，其横切面几何关系如下图[2]所示，测扫声呐距海底高度为h，检测时波束以宽度向航行侧面发生声波能量，波束

照射到内侧斜距为，照射到内侧斜距为，海底形成的测绘带宽度为，最内侧及最外侧波束夹角分别为，则可以得到如下关系：

图1 测扫声呐检测几何关系示意图

侧扫声呐是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，侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像，其原理图如下图2所示，侧扫声呐的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声呐左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波以球面波方式向远方传播，碰到海底后反射波或反向散射波返回到换能器[3-7]。距离近的回波先到达换能器，距离远的回波后到达换能器；一般情况下，正下方海底的回波先返回，倾斜方向的回波后到达。坚硬的、粗糙的、突起的海底回波强，柔软的、平坦的、下凹的海底回波弱。被突起海底遮挡部分的海底没有回波，这一部分叫声影区。因此回波脉冲串各处的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底起伏以及底质的信息。一次发射可获得换能器两侧一窄条海底的信息，在设备上显示成一条线。

图2 测扫声呐检测系统原理图

检测船向前沿着海缆路由区域航行，换能器按一定频率进行发射和接收操作，设备将每次接收到的一条线数据显示出来，就得到了二维海底地形地貌的声图，声图以不同的灰度表示海底的特征，由此来判断海底电缆路由区域的地形地貌。

3 测扫声呐系统在海底电缆检测中的应用

侧扫声纳检测系统运行时主要包含如图3所示组成部分，其中甲板单元主要作用为供电、数据调制解调、通讯，采集计算机负责检测过程中数据采集，拖鱼上安装换能器，在检测船和拖缆的作用下，在水下沿着海缆路由前行，发射和接收声波信号，检测数据定位主要通过GPS来完成，后处理计算机则是在后期对检测的数据进行处理。

图3 测扫声呐系统基本组成

在正式开始检测前，需对侧扫声呐系统进行严格的状态调试，调试的主要内容包括：拖鱼入水深度、侧扫作业模式的选定、信号的发射与接收、增益、TVG调节等，并根据水深的变化实时调整量程及拖缆长度防止拖鱼触底，浅水区域可采用浮球悬挂在拖鱼身上，以避免拖鱼被碰坏的危险。

在作业过程中，通过数据采集软件采集水下海床图像，并记录存盘。水深较浅区域，侧扫声呐采用浮球悬挂式作业，避免拖鱼触底；水较深区域，侧扫声呐采用直接拖拽方式作业。为了避免船的尾流、噪音等影响，船速建议控制在4节左右。拖鱼缆长根据作业区域选择固定缆长，除非紧急避让别的船只，禁止收放拖鱼电缆的长度。

图5 侧扫声呐检测的海底电缆检测意思裸露情况

检测结束后，可对检测数据进行处理，以获得较好的视觉效果，如图5-7所示为国内某海底电缆工程检测结果，可有效反应海底电缆周围环境及保护的情况。

从图5可以看出海底电缆电缆路由穿过相对高度为4.5米的沙波边沿，而路由区段回波较淡，显示电缆路由未充分回填，可能存在裸露情况，建议摸底探测。

图6 侧扫声呐检测的海底电缆检测抛石坝情况

图6 左图所示海底电缆段存在保存较好的的石坝段，右图则表示该处石坝受海水冲刷或则抛石不规则造成与设计形状出入较大，呈散塌状。

图7 侧扫声呐检测的海底电缆附近其他杂物情况

图7左图则表示该处发海底电缆附近发亮物体为浮标锚固绳索，右图则可看出明显的浮标锚固件及漂浮的网绳。

4 结论

应用测扫声呐系统可以实现对海底电缆的检测，可以了解到海底电缆保护情况是否发生改变，可以查看海底电缆附近环境的异常情况。诚然，利用水下机器人下水观察效果更加直观，但是一般情况下水下机器人需搭载动力定位船只使用，检测一次费用高昂，因此国际主流做法是首先利用成本较低的测扫声呐对海底电缆全线路由进行一侧彻底的扫视，查找可能存在的异常点或风险点，然后利用水下机器人搭载其他检测设备对这些关键点进行重点检测。可见侧扫声呐系统因其检测成本低、安装使用方便、运输携带便携，将会更多的应用于海底电缆的检测之中。

参考文献

[1]孙科沸.海底电缆探测技术研究现状[C]//中国通信学会2011年光缆电缆学术年会论文集.2011.

[2]李庆武,雷冠英,周妍.声呐图像处理[M].北京：科学出版社,2015,24-25.

[3]柳黎明.基于侧扫声纳系统的海底管道检测技术研究[D].中国计量学院,2014.

[4]来向华,潘国富,苟诤慷,等.侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究[J].海洋工程,2011,29(3):117-121.

[5]荆少东,金永德.侧扫声纳系统在管道穿越段海底地貌特征探测中的应用[J].工程地质学报,2012,20(5):827-831.

[6]李冬,刘雷,张永合.海洋侧扫声呐探测技术的发展及应用[J].港口经济,2017(6):56-58.

[7]熊春宝,田磊,熊爱成,等.侧扫声呐声波掠射角对海底管道检测的影响[J].测绘通报,2016(4):58-63. 作者简介

邓姗姗（1987），女，工程师，工学学士，主要从事海底电缆运行维护方面的工作。