海底光缆检测技术综述

汤 钟，邵 浩，张 斌

（1.中国人民解放军 91039部队，北京 102401；2.中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110169）

0 引言

海底通讯电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底用来实现国家之间的电信传输。首批海底通讯电缆提供电报通讯，后来开始引入电话通讯和互联网通讯，而现代的光缆还使用了光纤技术，因此被称为海底光缆。自从1985年海底光缆诞生以来，海底光缆建设遍布全世界[1]。目前海底光缆系统已成为国际跨海、洲际通讯的主要方式，也是岛屿和大陆之间信息传递的重要途径。海底光缆载量大、可靠性高、传输质量高，在军事和民用通讯方面发挥重要作用，尤其是在国际通讯方面[2]，具有不可替代的地位。但自其诞生之日起，海底通信就面临着各种威胁和挑战，海底光缆系统经常遭受渔网、鱼钩、铁锚等钩抓，发生弯曲、变形甚至断裂，导致海底光缆系统通讯阻塞，造成巨大经济损失[3]。海底光缆的修复难度甚至高于铺设的过程。浅海区域还可借助人工来完成检测及简单修复，要从深达几百米甚至几千米的海床上找到直径不到10 cm的损坏光缆，就如同大海捞针。目前，对海底光缆进行断点定位和维修仍是非常困难的技术问题。

1 海底光缆检测技术研究背景

1.1 海底光缆损坏原因及损坏情况

1.1.1 海底光缆损坏原因

造成海底光缆损坏的因素可分为2类：一类是人为因素，诸如渔业活动、船只抛锚等；另一类是自然灾害，包括地震和海啸等。人类活动是海底光缆损坏的主要因素[4]，据有关统计，海洋水产养殖及渔业活动、船舶抛锚（见图 1）、海洋工程等因素造成的光缆损坏占全部光缆损坏的95%左右。近年来，随着海洋的深度开发，海上活动愈加频繁，人类活动对海底光缆安全运营的威胁越来越大，尤其是被船锚破坏的频率越来越高。2009年12月，舟山定海澳头水道的海底光缆断裂；2010年7月，烟台长岛海底光缆断裂。由于地震造成的光缆、电缆破坏居于次要地位，但历史上也曾多次发生。纽芬兰地震和我国南海地震均对海底光缆造成毁灭性破坏，如：2006年台湾地区发生的强震造成了多条国际海底光缆受损、甚至中断；2011年日本地区发生的强震，也导致海底光缆的通讯中断。地震影响海底光缆的主要因素为崩塌、滑坡、错位。从印度洋地震破坏来看，强烈的地面运动和海啸对敷设与海床的海底光缆影响很小，但海啸严重影响海底光缆的登陆段[5]。

图1 人类活动对海底光缆造成的破坏示意图Fig.1 Damage of submarine optical cable caused by human activities

1.1.2 海底光缆损坏情况分析

通常情况下，抛锚能够破坏海底光缆的绝缘层、电导体、光纤，甚至完全切断海底光缆，进而引起绝缘失效、电路损坏、光纤失效甚至光缆断裂。根据1995年11月至2002年1月间由抛锚导致48次海底光缆损坏统计：绝缘失效和电路损坏26起，占比54%；光纤损坏14起，占比29%；海缆断裂8起，占比17%。与此同时，1994年4月至2006年3月发生在东海的抛锚损缆数据，同样支持上述结论。总体来说，绝缘失效和电路损坏占主导，占到光缆损坏的66%，光纤损坏占27%，海缆断裂占7%。统计结果表明，抛锚主要导致海缆绝缘失效、电路损坏和光纤损坏[6]。

1.2 海底光缆的维修

首先，对损坏的海底光缆进行测试，根据测试结果，可初步确定海底光缆的状态和大致损坏位置，制定维修方案；其次，打捞海底光缆，根据打捞方案，使用海缆敷设船在靠近断点附近打捞回收海底光缆，处理断点两端，系上标记；随后，清扫维修段海底路由，找到合适维修和掩埋布设路由。完成上述操作后，海底光缆重新接通；打捞出水的海底光缆被连接起来，并做好绝缘处理；测试正常后，完成第一次接通。随后，维修段运至预期埋设点，转运至埋设机准备埋设；接着，进行第二次接通测试；最后，使用水下机器人对海底光缆断点两端进行测试；测试正常后，两端托起光缆，敷设船进行敷设施工，完成光缆维修。

在整个维修过程中，测量断点位置并精确定位断点位置是一个关键技术。定位断点包括测试断点距离近岸距离和准确定位断点位置2个方面。

1.3 确认海底光缆断点位置

在岸上确定光缆断点的方法有多种，常用的方法包括光时域反射计测试法、电压测试法、电容测试法、音频测试法、在线监测法等。光时域反射计测试法，利用瑞利散射原理，根据测试数据，可判断出断点距离，并与原始记录进行比较，可在海图上大致确定断点的经纬度。方便的做法是将断点坐标标注在海底光缆施工图上，同时标注相应的打捞区域，确定打捞位置、打捞路径及其他打捞标志。但是，由于裸露段光缆被海水冲刷，相对施工位置有较大偏移，导致通过比对断点距离和施工图纸准确确定断点位置的可能性很小。

1.4 海底光缆检测方法

近年来，随着声呐技术的发展，声呐提供了一种经济有效的海底光缆维修手段。使用声呐，可探测海底光缆在海床的裸露段，测量掩埋深度，确定光缆位置，检测光缆在海床状态，调查布设区海床地形地貌等，如图2所示。与此同时，海底光缆水下机器人巡检、维修技术也得到快速发展。通过潜水员和作业船进行海底光缆检测、打捞的方法，逐渐被水下机器人作业取代。由于在工作深度、探测范围、连续工作时间等方面的优势，水下机器人探测技术突破了深度、潜水员工作时间和环境要求、作业船低效率拖曳等瓶颈，在深水区海底光缆检测、维护方面已完全取代潜水员和船只拖曳作业模式。

图2 声呐工作原理和海底光缆检测示意图Fig.2 Sonar’s working principle and inspection of submarine optical cable

1.4.1 海底光缆水下机器人检测技术

水下机器人用于海底光缆巡检时，首先使用AUV对海缆布设区域进行扫测，找到光缆断点位置。然后使用ROV辅助打捞作业，吹除泥沙暴露光缆，使用机械手剪断光缆，抓取光缆带到海面。与此同时，水下机器人将无线信号收发器放置光缆断点位置，以便后续维修时连接使用。通过信号收发器提供的位置，将光缆另一端打捞出水。在工作母船上，用相应装置连接光缆两端，使用近端登陆站信号进行检测，确定光缆故障端。切除故障部分，进行重新接通，进行信号测试，通讯正常后，按程序进行水下重新布设[7]。

通过以上分析可以看出，水下机器人技术解决了我国海底光缆打捞的重大难题，即工作深度的限制、定位精度和检测效率问题。水下机器人工作深度不受限制，可以根据巡检作业要求设计不同工作深度的 AUV。机器人技术代替人工作业，可避免潜水员生命危险，大大提高工作效率。通过缆线跟踪技术，探测传感器可获取更多稳定的探测效果，取得更高质量的数据。AUV可在广阔范围内，以极高的效率、极低的花费，实现管线目标的连续跟踪探测。因此，水下机器人在海底光缆检测、维修方面具有广阔的应用空间。

1.4.2 海底光缆无人艇检测技术

除了使用水下机器人进行海底光缆巡检外，无人艇在水下管线自动检测方面也展现出极大潜能。无人艇是集成多传感器的智能化设备，通过传感器获取海底管线状态，自动、经济地完成管线检测。其体积小、质量小、吃水浅，且无需人员随艇作业，非常适合执行浅水区域（如海岛礁周边、滩涂区、潮间带等）海底光缆检测任务[8]。2019年，装载多波束测深仪的M40型无人艇完成了海底石油管线检测，发现总长超过1 000 m的7处暴露段。2019年9月，XOCEAN使用XO-450型和MBES型管线检测无人艇在英格兰东海岸和德国沿岸开展了管线检测。2019年3月，搭载侧扫声呐的 TC40型无人艇用于长江流域排污管道检测。

2 海底光缆无人自动检测发展现状

2.1 国外发展现状

国外海底光缆无人检测机器人正快速发展，技术已较为成熟。成立于1936年的法国ECA公司，已供货军用和民工水下潜艇。早在1980年，公司设计了第一代无人水下自动无人艇（ALISTAR 3000 AUV），用于海底管线检测。随后又发展出A18TD和A18D型产品。工作深度覆盖20～3 000 m，连续工作时间可达12 h，巡航速度3 kn。能够携带多种传感器，如侧扫声呐、多波束测量装置、浅地层剖面仪及其他便携型传感器。

A18TD工作水深20～3 000 m，相对第一代产品，续航能力提高一倍，达到24 h，巡航速度3 kn，右舷可搭载右视合成孔径声呐、多波束测量设备、摄像机；左侧可搭载左视合成孔径声呐、浊度计、荧光计、甲烷传感器等。A18D工作水深 5～3 000 m，3 kn航速下可续航24 h，可搭载侧扫声呐、多波束声呐、浅地层剖面仪、前视声呐、温盐深剖面仪及其它海洋环境测量传感器。

挪威 CC公司研制的 HUGIN管线检测 AUV可搭载多波束声呐（Kongsberg EM 2040）、侧扫声呐（EdgeTech 120/410 kHz）、浅地层剖面仪（EdgeTech 1～6 kHz）、高分辨率水下相机、温盐深剖面仪等设备。除了传统传感器，德国Ilmenau大学研制的AUV还可搭载磁场探测阵列。

休斯顿机械电子公司称其研制的 Aquanaut水下机器人是世界首款双模机器人，具有水下变形重组能力。通常来讲，传统的水下无人航行器可分为2类：一类是鱼雷型自航航行器，另一类是用于业务化测量侦察的滑翔型航行器。Aquanaut机器人兼具两者优势，在执行长航程任务时，是一个鱼雷型机器人，具有长距离探测海底管线的能力，使用锂电池时其续航能力可超过200 km。

2.2 国内发展现状

目前，国内一些研究所涉足AUV自动监测海底管线研究领域。大部分研究仅依靠单一传感器，如水下相机、低照度相机、前视声呐等，在水池开展实验，还不具备独立探测海底管线的技术。海底光缆自动检测，在国内还有很大发展空间。中国海洋大学研制的“蓝鲸”海缆检测机器人已初具能力，实现了精确导航、实时观测、智能航行、灵活自适应跟踪等功能。在此基础上，“蓝鲸”可进一步升级，加装高精度设备，提高海缆检测精度，进行模块化设计，根据检测目标定制针对性设备，实现机器人的多功能扩展。浙江启明电力集团公司研制的“启明”海底光缆维修机器人，能够准确快速定位光缆断点，大大缩短搜寻时间。能够安全、高效完成附属设施的打捞，并在修理完毕后进行布设。此外，该AUV还可搭载更多设备，完成多种水下作业。中信重工机械股份有限公司研制的 KC-ROV水下机器人，可加载声呐探测设备，实现大范围、长距离探测，最大作业深度300 m，最远探测距离120 m。中科院研制的“远征2号”水下机器人，搭载了高低频合成孔径声呐，能够同时工作在高低频段，比其他声呐技术更适合海底管线探测。低频具有一定穿透能力，能够探测掩埋管线目标，探测掩埋深度可达2 m，具有较强的探测效能，探测效果如图3所示。

图3 无人潜航器检测掩埋光缆目标Fig.3 Inspection of the buried underwater cable by AUV

3 结束语

长期以来，海底光缆屡遭破坏，导致海底光缆系统通讯阻塞，造成巨大经济损失。维护损坏的海底光缆，首先需要快速准确地定位光缆损坏段，断点的快速检测和精确定位是一个重要问题。随着水下无人技术的发展，为海底光缆检测提供了一种有效手段，通过多平台多传感器的搭配使用，可逐步实现光缆断点的三维检测和精确定位。

在无人艇加装高、低频合成孔径声呐、多波束声呐及其它长距离探测设备，可实现海底以上200 m内的快速大范围探测，通过多传感器数据融合，获取海底光缆的位置信息，引导AUV设备进行抵近探测。AUV设备上搭载的探测设备，如磁探阵列、高分辨率水下相机、激光扫描仪等，探测精度较高，但探测范围有限。在领受任务后，AUV航行到相关区域，在固定高度（如距底5 m）进一步获取目标的精确位置、尺寸、磁特征、损坏状况等信息。因此，使用水下无人装备开展海底缆线的智能化自动检测，实现海底缆线的高效探测、准确识别，是未来的发展趋势和应用方向之一。