多波束系统在海缆运维中的应用

覃锦治 陈航伟 张宇鑫

（中国南方电网超高压输电公司广州局海口分局，海南 海口570105）

1 项目简介

500 k V海南联网工程海底电缆综合检测项目位于琼州海峡，海底电缆路径分为登陆段和海底铺设段，广东侧登陆段为南岭终端站平台下方至南岭侧低潮线，海南侧登陆段为林诗岛终端站海缆终端下方至海南侧低潮线；海底铺设段为广东侧低潮线至海南侧低潮线。

2 现状分析

目前，海口分局对海底电缆综合检测完全依靠外单位进行，项目周期长、费用高。琼州海峡海缆路由区域地形地貌复杂，流速大，水动力条件强，会导致海床的不稳定（海底冲刷区和移动沙波区等），因此海底电缆路由情况可能发生改变，无法时时掌握。

船舶在海缆路由区域抛锚后，海缆应急值班人员现场仅能测量船头锚机坐标（一节链长为27．5 m，一般货船配备5节锚链），无法测量海底锚点坐标，因此无法掌握肇事船抛锚点与海缆实际距离，严重威胁海缆安全。

按照超高压公司颁布的《500千伏福港线海底电缆运行维护工作标准》，海缆路由检测每2年开展一次。海缆路由检测利用水下机器人、有源探测、声学、可视摄像、光纤探测等成熟技术对海底电缆运行环境进行全面检查，排查海缆保护的薄弱环节及海缆保护程度变化趋势，及时采取措施提高海缆保护水平。

在2013年进行的海缆综合检测中，海口分局委托外单位采用先进的SONIC 2024型多波束测深仪，按照“无缝覆盖要求”，依照布设好的测线，对海底电缆区域进行全覆盖式的水深测量，同时保证相邻测线间有不少于10%的重复覆盖。若测区缺乏声速或水文资料，应布设适当数量的声速或水文观测点，以获取声速剖面资料用于测深资料的声速改正。

3 多波束系统在海缆运维中的应用

3．1 多波束系统功能分析

下文以目前国内市场应用广泛的SONIC 2024为例对多波束系统的功能进行分析。

3．1．1 在线调频

SONIC 2024多波束声呐系统可以在200～400 k Hz（升级选项700 k Hz）之间连续在线选择频率。

SONIC 2024具有在线连续调频的能力，用户可以在200～400 k Hz范围内实时在线选择21个工作频率（图1），而不是被限定在2～3个工作频率。在测量过程中可以根据琼州海峡海底环境调整系统频率，从而达到最佳的量程和条带覆盖宽度效果。此过程不需要重新启动系统，测量过程无任何间断。

3．1．2 条带覆盖宽度在线可调

SONIC 2024具有条带覆盖宽度在线实时可选的功能。在10°～160°范围内，可以根据实际作业情况灵活选择合适的覆盖角度（图1）。当选择一个较窄的覆盖扇区时，所有的声学水深点集中在这个窄条带内，以增加系统的分辨率，检测细小的水底特性。宽条带扇区设置通常用于一般意义上的地形测绘，或者用于码头、防波堤、大坝、桥桩或者桥墩等垂直面的检测。SONIC 2024的宽覆盖能力增加了开角范围，在作业时不必旋转声呐头的角度。

图1 频率和条带覆盖宽度设置界面

3．1．3 性能稳定，环境适应能力强

SONIC 2024系统已经在国内实际投入生产超过100套，均能长期稳定运行。系统适应在内河及近海中安装和长期使用，工作温度范围可达－10～50℃，湿度可达90%。长时间的实际操作效果证明，该系统完全具备在琼州海峡进行长时间连续作业的能力。

3．2 多波束系统可应用性分析

3．2．1 500 k V海底电缆路由坐标（含两侧登陆段）测量

R2－SONIC 2024多波束的扫测角最大可以调节到160℃，在这个情况下，水深与扫测量程比例最大为1∶11．3，但波束开角太大，会造成边沿波束质量差。根据以往经验，波束开角一般为140℃，采集的数据质量较好，这时水深与扫测量程比例为1∶5．7。多波束系统测深时要求全程覆盖，并保证测线间有10%的重叠度，对于测区内水深较浅的区域，如果按主测深线间距作业不能覆盖时，中间应再加测一条，确保质量不受影响。多波束测深系统就是一个能够充分满足该用途的设备方案。

（1）多波束测深系统通过GPS和姿态传感器（或一体化光纤罗经和姿态传感器）来得到多波束换能器阵的绝对坐标，通过波束控制技术，得到每个回波所对应的水下坐标。

（2）SONIC 2024及2022多波束系统的量程分辨率可达1．25 cm，且SONIC系统的波束开角标准为0．5°×1．0°，其在海底的脚印在20 m左右时为0．17 m，升级700 k Hz可达0．3°，脚印大小0．10 m。另外，多波束系统的波束不是相邻排列的，而是每个波束都有一定程度的重叠，因此，多波束在20 m时能够分辨的物体目标远远高于0．17 m，实际应用中能够清晰地分辨出高压电缆，从而在处理后，可以读取出海缆的坐标。

3．2．2 500 k V海底电缆裸露、悬空检测（含三相铸铁套管保护段）

海底电缆的裸露／悬空检测方面，可以通过利用多波束测深系统、侧扫声呐系统及浅地层剖面系统进行，且该应用已经在国内、国外比较普及。

3．2．3 500 k V海底电缆抛石保护石坝外观检测

可以通过使用侧扫声呐对该位置进行快速定位，然后利用多波束系统进行细致的结构检测。石坝厚度检测采用如下方法相互验证和对比：

（1）通过已有石坝区域多波束三维地形资料与未铺设石坝的多波束三维地形资料的叠加对比，得出现有石坝的高度。

（2）本方法假定石坝下地形与其两侧地形起伏误差可以忽略不计，即可以使用系统上自带的高度计获取石坝上方高度数据以及石坝两侧任何一方高度数据，最后2个数据相减获得石坝高度；相同的方法同样可以用于多波束系统获得的地形数据，从而获取石坝高度。

4 结语

从经济性分析，目前国内市场运用的多波束声呐及侧扫声呐系统价格无较大差别。从产品性能分析，多波束声呐系统主要性能不同点为水深量程、安装方式不同，其他参数无较大差别。因此，目前国内主流的多波束系统适用于海口分局对海底电缆的测量。