波浪能示范区海底电缆多元融合探测技术研究

王志彬 张润达

（广州海事测绘中心，广东 广州 510320）

0 引言

近年来，多波束测深系统［1］、侧扫声呐、浅地层剖面仪、合成孔径声呐等被应用于对海缆和海底障碍物的探测中。但因自身具有局限，导致单一探测技术无法准确、全面获得海缆、障碍物的存在形态，这就使多种探测技术的联合应用成为趋势。陈正荣等［2］提出了多波束测深系统和侧扫声呐的联合应用方案，并用来扫测海底掉落的集装箱。王强等［3］、陈超等［4］、黄小卫等［5］提出了多波束测深系统和侧扫声呐的联合应用方法，用于检测海底电缆路由及海上风电场水下结构的冲刷情况。董玉娟等［6］根据侧扫声呐、浅地层剖面仪特点，研究EdgeTech 3100 型浅地层剖面仪和4200-FS 型侧扫声呐系统在海底输油管道检测中的应用。综上所述，两种甚至多种探测技术在海底障碍物及海底电缆探测中的联合应用日益广泛。目前，学者对如何获取海底电缆路径上的详实水深数据、水下结构图像及海底电缆埋设情况的研究相对较少。本研究提出一种融合了多波束测深系统、侧扫声呐和浅地层剖面仪的多元探测方法，并使用该方法对珠海大万山岛波浪能示范区的海底电缆路径水域进行全覆盖测量。

1 测区概况

珠海大万山岛是我国海洋能资源最丰富的海域之一，全年主要风力分为秋冬春三季的东北季风、夏季的西南季风。大万山岛北侧有白沥岛，西侧有小万山岛，东南侧15 km 处有庙湾岛和北尖岛。整个大万山岛受东北、东、东南、南、西南方向海浪的影响，而岛屿南侧区域各方向波浪均可抵达。大万山岛南侧四季具有较均匀的波浪能资源，年均波浪能流密度不低于5 kW/m，全年有效波高为1.5～2.5 m的累计时间不小于2 000 h。大万山岛南侧的波浪能资源丰富，四季分布均匀，海底平整，流速较低，与海岛其他用户的海运需求并无冲突，适合作为波浪能发电系统的工程示范区，示范工程示意如图1所示。

图1 大万山岛波浪能示范工程示意

2 扫测方案

使用T50-P 多波束测深系统对测区进行扫测，并使用Klein 4900多功能侧扫声呐和EdgeTech 3400浅地层剖面仪进行多元协同探测。扫测时，按照国内相关技术规范和IHO S-44 Ed.5 1a 等级测量标准来执行。以当地理论最低潮面为水深基准面，采用四尺岩自动验潮站进行水位控制，使用Trimble SPS 461 DGPS 定位系统来接收无线电差分台信号，从而实现实时定位。DGPS 接收机输出的成果为WGS-84 坐标系中的坐标，在航海用途上，WGS-84 坐标系等同于CGCS2000 坐标系，可直接输入到Hypack 测量软件中进行导航。测图采用高斯-克吕格投影，3°带投影，中央子午线为114°E（38°带）。

3 扫测流程

3.1 多波束水深测量实施

在进行水深测量时，采用DGPS 系统进行定位，输出WGS-84坐标给导航计算机，用于船舶导航和航迹线记录，用多波束测深采集系统对位置、水深及各种姿态传感器数据进行采集。多波束换能器采用船舶侧舷支架方式进行安装，将罗经设置为水深测量的参考原点，建立以船艏方向为Y轴（指向船艏为正）、垂直船艏方向为X轴（指向船右舷为正）、Z轴（铅垂方向，向下为正）垂直于XOY朝下的左手船体坐标系。各单元的位置关系详见表1。量取相关位置数据后，分别输入到船配文件中，并在Caris Hips＆SIPS 8.1多波束数据处理软件中进行归心改正。测量水深前进行安装校准，校准参数包括横摇、纵摇、艏向，通过软件对外业采集到的数据进行校准计算，求得各改正值（横摇1.70°、纵摇-2.00°、艏向1.00°）。多波束扫测按间距为40 m、平行于海底电缆来设计线路，布设往返两条主测深线进行覆盖测量。在多波束扫测时，将航速控制在12.96 km/h内，测线两端延长200 m，以确保多波束采集系系统能稳定运行，保证采集数据的可靠性。另外，按主测线里程的5%布设单波束检查线，用于在内业处理时对多波束水深数据进行检核。在水深测量前、中、后各进行一次声速剖面测量，当声速剖面发生显著变化时，增加声速剖面的测定次数。为消除多波束测量时的边缘波束测量误差，可在多波束换能器附近安装表层声速仪［7］。

表1 T50-P多波束测深系统各单元相对位置参数

3.2 侧扫声呐扫测实施

侧扫声呐主要用于检测海底冲刷状态，包括定位、海底地貌图像采集、声呐数据处理、声图判读、目标分析等功能。大万山岛波浪能示范区探测海域水深在24 m 左右，侧扫声呐在扫测时要平行于海底电缆的设计线路，在设计线路两侧40 m 各布设两条测线进行检测。

侧扫声呐扫测使用的是Klein 4900 系统，采用高频工作模式，选用75 m 量程，拖鱼拖曳深度为2 m，船速控制在7.4 km/h 左右，从而能获取较为清晰的海底图像。

3.3 浅地层剖面仪扫测实施

根据多波束测深系统与侧扫声呐的扫测结果，使用EdgeTech 3400 浅地层剖面仪对海缆的埋设信息进行详细探测，主要用来探测海缆埋深及是否存在裸漏等情况。在使用浅地层剖面仪扫测时，按垂直于海底电缆设计线路布设浅地层剖面仪的探测计划线，计划线间距为100 m，在海缆拐点处加密探测。设备以侧舷支架固定的方式进行安装，使用DGPS进行定位，采用Discover SB 软件来采集数据。在采集数据过程中，要密切关注底跟踪等参数，确保采集到的影像清晰可辨。扫测采用独立的管线模式，有利于采集地层界面反射系数，从而确定海底电缆埋设情况。

4 扫测结果分析

4.1 水深情况

完成外业数据采集后，使用Caris软件Hips模块对采集到的传感器数据（多波束数据）进行处理，并通过设定合理的过滤参数，来剔除水深数据中的虚假信号。在Hips 模块中，建立地域图表文件，直观地显示出海底地形的扫测图像，并将水深数据以XYZ格式文件输出。使用Hypack 软件对单波束数据进行处理，通过删除假信号、水位改正后，输出XYZ数据，并与多波束数据进行比较。除接近大万山岛的水域较浅外，海底电缆路径水域水深基本在24 m左右。经多波束主测线与单波束检查线水深比对（抽取170 个水深重合点进行比对），最大互差为±0.3 m，符合率为100%，符合规范要求。

4.2 海底电缆路径设计情况

由于多波束测深系统覆盖全、精度高、位置信息准确，侧扫声呐系统分辨率高、实时性好、测量效率高，将两者协同应用，能详细地反映出海底电缆的路径信息，如图2、图3所示。

图2 海底电缆实测路径水下结构三维点云

图3 海底电缆实测路径水下结构侧扫声呐图像

大万山岛波浪能工程区海底电缆实测路径与设计路径基本吻合，局部情况如图4 所示。扫测的最大偏差距离为20 m，如图5 所示。这是因为在海底电缆铺设过程中，受潮流流向趋势、风向、船舶行驶方向偏离设计路线等因素的影响，从而造成偏差。

图4 海缆实测路径与设计路径局部吻合情况示意

图5 实测路径与设计路径最大偏差距离示意

4.3 海底电缆埋设情况

浅剖测量结果如图6 所示。图像可明确指示出海底电缆的埋深情况。

图6 海底电缆浅地层剖面仪图像

由各测线的浅剖分析结果可知，大万山岛波浪能示范区海底电缆均处于安全稳定状态，其埋深情况见表2。

表2 大万山岛波浪能示范区海底电缆埋深情况

综上所述，通过对海底电缆路径上的详实水深数据、水下结构图像及海底电缆埋设情况进行全面、准确的探测，为大万山岛波浪能示范区海底电缆运维提供依据。

5 结语

本研究采用多波束测深系统、侧扫声呐和浅地层剖面仪联合探测的方法，对珠海大万山岛波浪能示范区海底电缆进行全覆盖探测。通过对测量数据、三维图像等进行分析比较，获取海底电缆路径上的详实水深数据、水下结构图像及海底电缆埋设情况，提高不同方法探测的全面性、准确性。特别是多种设备在对海底电缆探测时可实现优势互补，将三者的影像在底质和地理位置上进行叠加，可极大地提高了海底电缆解译的准确性，为船舶通航、锚泊安全及海底电缆的安全维护提供了强有力保障，对海缆维护探测具有一定的借鉴意义。但浅地层剖面仪在砂底质的海底穿透能力较弱［8］、分辨能力较差，海底电缆埋设情况的探测技术研究仍有待深入。