一
引言
海底电缆敷设后将随时间推移而浅埋或裸漏在海床表面，运营期会受潮汐和波浪等海洋动力、海底塌陷和滑坡等次生作用、落锚和拖网等人为条件影响而造成裸漏、移位、破损、断裂等现象。为此，定期检测海底电缆敷存状态，是海底电缆运营维护的重要环节。
文献资料检索结果表明，海底电缆检测虽受到了一定关注，但相关研究尚处于起步阶段，目前海缆探测的主要方法是基于声、光、电、磁等物理技术：①声学探测法是利用声波的反射回波原理，基于侧扫声呐、浅地层剖面仪、多波束等海洋物探设备实现海底电缆的探测，但侧扫声呐对海底电缆检测扫描得到的海缆与管线声学图像极为相似，而浅地层剖面仪又因受限于垂直分辨率(通常为100mm)，致使无法探测直径较小的海缆；②光学探测法是将水下CCD摄像机等设备搭载于水下机器人，直接对海底电缆进行拍摄录像，该方法成果较为单一，且不适用于浑浊度较高的海底；③电学探测法是基于电压和电容测试原理探测海底电缆故障点，该方法在深海环境使用不便，故较少使用；④磁学探测法可细分为电磁感应法、磁法和脉冲感应法。电磁感应法探测原理是通过探棒和接收机感知注入在海底电缆金属导体中低频电流产生的感应磁场，但海缆有效探测范围较小；磁法探测原理是采用适当的技术测量海底电缆中被磁化的铠装层铁磁材料对地磁场的影响程度；脉冲感应法探测原理是利用多个接收线圈接收海底电缆因感应一次磁场而产生的二次磁场，从而确定海缆的位置信息。
近年来，多波束测深系统凭借全覆盖测量使其在崩岸监测、港池航道等各类涉海工程中得到广泛应用，但其在海底电缆检测中的应用以及所涉及的复杂软硬件使用却鲜有研究，而美国R2Sonic公司研制的SONIC2024多波束测深仪在500m全量程范围内性能稳定、数据质量高、使用灵活方便，且能在200～400KHz声学频率范围内以1Hz步长在线实时调频，可最大限度避免噪声的干扰。为探究SONIC2024多波束测深系统的超高分辨率窄波束模式在海底电缆铺设检查等微测深领域中的应用，优化设计海底电缆检测声呐作业参数，形成一整套多波束检测海底电缆精密数据采集与后处理体系，研究成果可为海底电缆的检测提供新的参考。
二
SONIC2024多波束测深系统
海缆检测参数优化
⒈多波束测深系统探测分辨率模型构建
图1为多波束测深系统沿航迹方向与垂直航迹方向分辨率示意图，多波束测深系统沿航迹方向在任意波束指向角处探测海缆的分辨率为：
σxθ＝2×(H/cosθt)×tan(αx/2)，⑴
式中，σxθ为多波束测深系统沿航迹方向的波束角度；H为换能器至海底正下方水深；θt为入射波束与竖直方向夹角。
在同一Ping中，沿航迹方向不同波束指向角处的分辨率不同，而沿航迹方向分辨率应为该Ping内的理论最小分辨率：
σx＝2×H×tan(αx/2)，⑵
同理，根据图1可知多波束测深系统沿垂直航迹方向探测海缆的分辨率为：
σy＝H×[tan(θ＋σy/2)－tan(θ－σy/2)]，⑶
式中，σy为多波束测深系统沿垂直航迹方向的波束角度。
图1 多波束测深系统沿航迹与垂直航迹方向分辨率示意图
⒉多波束开角最优设计
分析公式⑶可知，多波束测深系统探测海底电缆的横向分辨率与波束开角、沿垂直航迹方向波束角度有关。为提高海底电缆检测效率及稳定性，附加多波束测深系统横向分辨率不大于被测海底电缆直径D的约束条件，对波束开角进行优化计算：
σy≤D，⑷
将式⑷带入式⑶，并顾虑一元二次方程根判别式有解：
海上风电场选择海底光电复合缆用于电力供应与通信传输，主要分为35、110、220、500KV海底电缆，其管径依次约为0.10、0.13、0.25、0.50m，根据公式⑸进行多波束海底电缆检测最优波束开角范围设计，SONIC2024多波束测深系统在不同管径海缆下的波束角2θ与H间的关系曲线图见图2。分析图2可知，为有效辨别海缆，当海缆直径D固定时，波束角2θ应随水深H的增大而减小；当水深H固定时，波束角2θ应随海缆直径D的增大而增大。
图2 不同海缆直径的SONIC2024波束角2θ与水深H关系曲线示意图
⒊数据更新率Ping
设Tinter为相邻Ping(数据更新率)的时间间隔，多波束测深系统边缘波束自换能器发射至接收所用时间Tinter：
结合图2及公式⑹可计算得到多波束探测海底电缆的最大采样率。
⒋船速设计
为保证多波束检测海底电缆时相邻脉冲检测数据为有效链接，需使多波束测深系统相邻脉冲发射时间间隔大于边缘波束发射返回的时间，故基于多波束测深系统检测海底电缆时的最大船速为：
SONIC2024多波束测深系统不同波束角2θ所对应的最大船速V见图3。分析图3可知，最大船速V随着波束角2θ的增大而减小。
图3 SONIC2024波束角2θ与最大船速V关系曲线示意图
三
多波束测深系统精密检测海底
电缆数据采集方法
⒈工程概况
射阳海上南区H130万千瓦风电项目海底高程位于－13～－16m间，拟安装67台单机容量4.5MW风电机组，风电场配套设置一座220KV海上升压站，风电场所发电能汇集至海上升压站35KV母线，经主变升压至220KV后，通过2回220KV海缆，接至风电场220KV陆上集控中心转架空线路送出。海缆施工方在敷设220KV海底电缆(管径约0.25m)时，无法与已敷设海缆在交接处正确衔接，需得到已铺设海缆的正确位置，并将其与设计图纸进行比较，验证海缆是否敷设错误。
⒉导航定位
测量船在进行海底电缆检测时，GPS信号受阻会致使导航定位数据丢失，将对海底电缆多波束测量数据后处理造成较大误差，而POSMV是加拿大Applanix公司为在各种复杂环境下，将GNSS数据与来自IMU的角速度和加速度以及来自方位角测量系统的航向数据进行融合，提供稳定而精确的位置参考所研制的定位定向测姿系统，可采用毫秒级的时间精度同步位置、方向、涌浪、速度等性能指标，且在GNSS接收信号不连续或存在多路径效应情况下，具有消除定位漂移和快速重新获取信号的特点。因此，在海底电缆检测数据采集过程中，采用MV－POSview软件接收存储POSMV定位定向测姿数据，为海底电缆多波束测量数据后处理，提供可靠的定位数据保障。
⒊水深测量声呐控制
在使用Sonic Control 2000软件控制SONIC2024声呐采集220KV海底电缆检测数据时，结合文中所推导模型及本工程水深与海缆管径，首先使多波束发射脉冲信号，然后将频率调整为200～400KHz，设置声波发射频率为36Hz，底部采样方式为超高密度，选用高频模式精密搜索海底电缆；在Sector Coveraga模块设置换能器波束角为88°，将水深条带控制在梯形范围内，待GPS、PPS、MRU、SVP、TRG、PWR的指示灯为绿色以及时间同步到格林威治标准时后进行作业。
在离测线200m时使作业船进入测线延长线，作业时保持2～3Kn航速，并根据导航显示随时修正测量船航向，Sonic Control 2000软件在测量过程中打开，并持续观察以保证水深条带数据的质量。
⒋潮位与声速数据采集
为计算海缆检测区平均海平面以及统一高程基准提供数据基础，保证后处理阶段多波束海底电缆检测数据条带拼接优良，应采用潮位仪获取由海洋波浪、海洋潮汐、海洋气象、海水温盐湿度所引起的海洋水位及潮位变化数据，并基于声速剖面仪采集受海水温度、压力、深度、盐度、密度等因素影响的声速数据。
四
多波束海底电缆检测数据
处理策略
⒈基于POSPac软件解算惯导数据
基于POSPac软件Single Base数据后处理模块，对获取的测量船轨迹POS数据进行单基站紧组合差分GNSS后处理和定位测姿数据中误差计算，以GPS历元为横坐标，分别以定位误差、测姿误差为纵坐标，绘制图4、5所示的测量船实时轨迹数据定位测姿误差变化图。分析图4、5可知，基于POSPac软件解算惯导数据，可极大提高海底电缆检测数据的定位精度。
图4 POSPac后处理North、East、Down误差示意图
图5 POSPac后处理Roll、Pitch、Heading误差示意图
⒉建立海底电缆多波束测量船配置文件
采用具备读取POSPac惯导数据解算成果接口的专业水深数据处理软件Caris，进行海底电缆检测数据处理，基于Caris软件处理海缆多波束检测数据前需先建立船型文件，将探头杆与水面的交点设置为测量水深的参考点，定义以参考点为原点、船艏方向为Y轴、垂直船艏方向为X轴、Z轴垂直于XOY朝下的左手船体坐标系，船型文件的建立主要内容包括写入水限值(参考点到水面的高度)、总传播误差不确定度(TPU)以及SONIC2024探头、运动传感器、主辅GPS等设备的位置信息，其相对位置关系见图6。
图6 海底电缆检测多波束系统安装相对位置关系示意图
⒊数据质量检查与潮位、声剖数据改正
船型文件建立后，应先通过编辑器对姿态数据、导航数据和多波束条带数据的质量进行检查，通过姿态数据可辨别运动传感器安装的好坏以及外业海缆检测时海浪的摇摆程度，姿态数据光滑表明用于姿态补偿的数据质量好，否则需做滤波平滑处理；对于导航数据而言，尖峰处代表该位置导航信号产生了频飘，应予以删除并同时进行内插。此外，还需通过条带编辑器将各条带扫测的明显噪声点予以删除，以减少后期子区编辑的工作量。
在对数据质量检查后，应分别通过Tide编辑器和SVP编辑器，设置海缆检测区的潮位和声速剖面数据。多波束测深系统检测海底电缆时实测的水深值是换能器下方的水深，若要将其归算到指定高程系统上，则每条测线需读入一个潮位数据文件，且人工编辑的潮位时间需完全包含测线时间，Caris将自动按时间查询并提取潮位数据。声速改正的目的是将多波束测量的原始数据转成沿航迹、垂直航迹及深度格式的数据，声速剖面改正的前提是原始声呐数据中同时含有未加改正的原始声波传播时间和各波束的角度数据。
⒋数据合并与网格化水深地形曲面创建
原始海底电缆多波束检测数据经声速剖面改正后，已将具有波束角和声传播时间内容的多波束测量数据转换为相对船水平安装位置的水深值。合并计算是根据罗经数据、GPS定位数据和潮位数据，将每个水深点的坐标由船体坐标转换成测量坐标系下的过程，合并时HIPS将执行下列内置工作：①根据船配置文件中对各传感器的改正数据进行传感器数据改正；②按照时间对应关系，根据插值后的GPS数据计算各水深条带的中心波束地理坐标位置；③根据中心波束坐标和罗经、升沉、纵摇、横摇数据计算各水深点的地理坐标位置；④进行潮位数据插值，然后对各水深值进行潮位改正。数据合并后，各水深数据将不再与时间有关而是与坐标相关。此外，为生成利于数据处理的彩色水深图，以及后期产生等值线图、水深数据图和剖面图，根据实测的水深数据，基于CUBE算法生成网格化水深地形曲面，CUBE算法作为最新的海床曲面生成算法，可根据TPU值和距曲面网格节点的距离，对节点做出改正。
⒌计算换能器校准参数
在计算换能器校准参数前，需先对多波束检测的海底电缆条带数据进行合并，并通过搭载于Caris软件中的CUBE算法创建海床曲面。校准参数计算的顺序依次为横摇较准(Roll)、纵摇校准(Pitch)和艏摇较准(Heading)，横摇校准要在具有50％以上重叠度的两条反向平行测线的平地上进行，纵摇校准要在具有50％以上重叠度的两条反向平行测线的陡峭地形上进行，艏摇校准要在具有50％以上重叠度的两条同向平行测线的陡峭地形上进行。利用Caris软件进行换能器校准时，应通过子区编辑器(Subset editor)选择一个与测线垂直的区域，本次海底电缆检测多波束校准结果为Roll＝－4.24°、Pitch＝0.460°、Heading＝－3.72°。
⒍基于子区编辑器的异常海缆检测点删除
船只的尾流以及泥沙、海藻等海洋物质的扰动会使多波束检测海底电缆条带含有大量异常水深点，Caris软件的自动滤波和子区编辑器功能均可将异常水深点删除，但自动滤波会时常将真实水下地形点或海缆检测点滤掉，因此采用联合瓦片图的子区编辑器，进行海底电缆多波束检测数据精准去噪。
五
海底电缆检测结果分析
对海底电缆多波束测深数据进行异常点删除后，在3×3格网中通过8邻域插值法内插条带空洞点，并叠加业主提供的海缆位置，结果见图7。分析图7可知，采用多波束测深技术可以实现微小裸漏海底电缆的精确探测与定位，且检测的海缆痕迹明显、细节信息丰富，其平面位置与业主提供的海缆位置呈不一致性，海缆差异最大处高达43.04m偏差，这也进一步解释了施工方在铺设海缆时无法与已铺设的海缆在交接处正确衔接的现象。
图7 SONIC2024多波束测深系统检测海底电缆数据处理示意图
六
结束语
海缆探测和识别是海底电缆运营维护的关键环节，也是国际海洋工程面临的重大问题。文中开展多波束测深系统检测海底电缆及数据处理方法研究，主要研究成果如下：
⑴基于多波束测深系统波束角及海缆探测区水深的前置条件，在多波束探测分辨率模型基础上，附加海缆管径约束条件计算波束开角、数据更新率、船速等参数，能有效保证多波束测深系统从众多微地形地貌中分辨海底电缆的可行性。
⑵为实现多波束测深系统精密检测海底电缆，应采用后差分技术解算多波束测深系统导航数据，以此提高多波束扫测条带拼接成果质量，进一步提高了海缆检测数据处理结果的稳定性和可靠度。
⑶SONIC2024多波束测深系统工作稳定，采集的海缆检测数据质量好、精度高，测量可靠性强，实测数据处理结果能如实反映风电场海底电缆的真实情况，且海底微地形地貌清晰可辨，可为风电场基础施工和设计方案的完善、变更等提供参考依据。
⑷综合Caris软件的船型文件配置、数据质量检查、潮位与声剖数据载入、数据合并与网格化水深地形曲面创建、换能器安装校准、子区编辑异常水深点等关键环节，形成的一整套多波束测量数据后处理体系，可为码头、航道等类似涉海工程的多波束扫测数据精密处理提供参考。
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END
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【作者简介】文/毕继鑫 吴文超 占晓明，来自浙江华东测绘与工程安全技术有限公司；第一作者毕继鑫，1994年出生，男，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士，主要从事海洋测绘及测量数据处理等研究；本文为基金项目，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司科技项目(KY2017-02-75)；文章来自《海洋测绘》（2022年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载已取得授权。
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