多波束声呐与浅地层剖面仪在海缆检测工程中的联合应用

摘要：多波束声呐随着技术以及海洋工程工作需求提高，逐渐应用于测绘工作，浅地层剖面仪是根据回声测深原理设计，判断海底是否有电缆埋藏以及电缆的埋藏深度。本文提出将多波束声呐结合浅地层剖面仪用以检测海缆路由铺设状态以及海缆埋藏，以此提高测绘的精度，检验裸露以及埋藏情况，从而推进海洋工程与环境保护。

关键词：多波束声呐、浅地层剖面仪、海缆裸露检测、海缆埋深、测绘精度、数据处理、海洋资源开发

引言：

随着海洋资源的开发和海上风电场的建设，为了确保海洋风电场对风能资源的开发需求。多波束声呐是目前使用十分广泛的一种海洋测图手段，也可以用于复杂地形的海缆路由的裸露和掩埋情况的高精度探测。目前，在多变的海床环境下存在精度和效率的不足。为此，本文主要在于通过结合浅地层剖面仪，提高海缆路由测深精度和效率，并分析其在实际中的应用前景，以供今后海洋工程、海洋资源开发现场更加有效的开展提供技术支撑。

一、设备检测方法原理

多波束系统的原理是通过超声波，信号的接收是由n个一定角度排列的独立换能器组成，每次可获得n个实测数据。系统通过波动物理中的“相控阵”原理，即可准确地判断（或者指向）每个波束的位置。根据每个波束位置处的回波信号，通过振幅与相位确定深度。

本项目扫测采用多波束测深仪全线覆盖式扫测，实时动态定位，将采集回的数据实时记录到电脑中。

参量阵浅地层剖面仪主要由船载部分、电缆及换能器组成，发射阵列按给定频率垂直向下发射规定频带的调频声波脉冲，波脉冲穿行于海水到达海底，一部分脉冲被反射回来，另一部分脉冲继续向下传播。根据界面上下形态特征并结合已知地质资料对上下地层进行判别。水下浅地层探测设备与工作原理如图所示。

本次采用SES2000采集浅地层剖面数据，拖鱼固定在船侧连接到船上主机，实时传递经过模数转换的数字信号，同时，定位信息实时传输到主机和HYPACK导航软件中实现实时导航和数据采集。

二、具体检测案例

1.工程概况

射阳海上南区H2#30万千瓦风电项目位于新洋港口至斗龙港口之间的海域，射阳港水域港界西南侧，辐射沙洲最北端，场区中心点离岸约40km，海底地形有一定起伏，海底高程-8m～-19m。风电场形状呈梯形，东西方向平均长约为23.5km，南北宽约为2.0km，规划海域面积48km²。风电场配套建设一座20kV海上升压站及一座陆上集控中心。本工程海缆扫测范围为220kv主缆中三段3.3公里选段，合计10公里，地理位置见图3：

选定海缆段如下表中标记所示。

2.检测过程

多波束测图时，为达到较好的全覆盖，按照区内水深情况，测线设计按水深的2～3倍进行布线，保证相邻测线的重叠率达30%以上。依据本项目水深设计，测线断面的间隔宽度设定为20m～50m。

测试中采用R2Sonic公司控制软件来观测多波束探头的信号状况，并实时调节波束的扫描角度、扫描范围、功率等降低噪声、保证信号准确性。输出扫描结果为*.pds文件，作为后续的处理数据。

浅剖侧扫测线进行施工时，保证海底浅层地物声像显示清楚，取得高识别度的良好数据资料。施工中，作业人员会对浅地层声学图信号进行监控，在探查过程中发现成像质量有变化要及时调节激发接收设备参数，保证设备成像质量稳定，当图象质量不满足后续处理时，要及时补测、返工。

3.数据结果分析

内业处理软件采用加拿大Caris公司开发的专业多波束数据处理软件CarisHips7.1。数据处理流程主要包括编辑船型配置文件、声速剖面改正、水位改正、剔除错误“飞点”、水底曲面生成、数据合并、数据抽稀、输出和绘图等过程。

根据采集的数据，统计图上1mm范围内水深点的深度比对互差值，优于规范的限差要求。最终多波束数据处理后的三维图像如图5所示。

上图中空白区域为升压站，由图可见升压站附近海床面为冲刷海底，侵蚀现象明显。海底疑似5条海缆裸漏，分别分布在升压站西南方向和东北方向。此范围扫测的目标海缆裸漏有3段，分别在东北方向和西北方向，为K0-16至K0+113处、K0+0至K0+101处和K0+179至K0+293处，裸漏长度分别约为187米、101米和129米。

浅层剖面仪同时采集两种格式数据，其中一种格式是通用的RAW格式原始数据，另外一种则是自定义的SES格式数据，通过系统自带专用后处理软件ISE2.0，可加载本装置采集的原始数据格式为RAW或SES。除去水体和机械干扰、调节压缩程度、数据平滑化，分别在高频率和低频率读取出水深和海缆埋藏深度的数据，最后输出ASCI格式的数据，用于海底地层划分和计算厚度等。

根据多波束扫测成果，对比浅剖扫侧海缆裸露位置浅剖图，更加直观的确定了缆线的裸露位置，对于多波束扫测系统中的疑似部位，对比浅地层剖面仪系统中得到的相同位置的浅剖图像，可以得到正价准确的220kv海缆路由裸露及埋深位置图。最后汇聚成表格，得到总体海缆裸露情况与掩埋深度的记录图。

三、结论

随着人们对海洋资源的不断开发，海洋风电场的不断建立，后期的运营维护已经成为目前海洋技术发展的一个重要方向。针对于海底电缆的掩埋工作，多波束声呐扫侧系统只能针对于海床上，相对明显的区域的裸露海缆进行三维成像，对于仍处于掩埋深度较浅或者半掩埋的海底电缆，多波束不能起到很好的预防和检测效果，针对于这种情况，采用参量阵浅地层剖面仪联合多波束进行海底电缆的检测工作，参量阵浅地层剖面仪针对于海底地层一下的半掩埋及掩埋较浅的海底电缆，具有良好的检测效果。

通过多波束扫侧声呐和参量阵浅地层剖面仪的结合，可以对海洋风电场的海缆进行裸露及掩埋的扫测，进而为海洋风电工程提供宝贵的海缆掩埋情况的详细资料，方便海洋风电场针对于不同的情况进而采取合理的处理方式，大大节约了海底电缆以至于海洋风电场的运营维护成本，大大加快了我国对海洋风力资源的利用与开发工作。

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