多波束系統在海纜運維中的應用

覃錦治 陳航偉 張宇鑫

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局海口分局，海南 海口570105）

1 項目簡介

500 k V海南聯網工程海底電纜綜合檢測項目位于瓊州海峽，海底電纜路徑分為登陸段和海底鋪設段，廣東側登陸段為南嶺終端站平臺下方至南嶺側低潮線，海南側登陸段為林詩島終端站海纜終端下方至海南側低潮線；海底鋪設段為廣東側低潮線至海南側低潮線。

2 現狀分析

目前，海口分局對海底電纜綜合檢測完全依靠外單位進行，項目周期長、費用高。瓊州海峽海纜路由區域地形地貌復雜，流速大，水動力條件強，會導致海床的不穩定（海底沖刷區和移動沙波區等），因此海底電纜路由情況可能發生改變，無法時時掌握。

船舶在海纜路由區域拋錨后，海纜應急值班人員現場僅能測量船頭錨機坐標（一節鏈長為27．5 m，一般貨船配備5節錨鏈），無法測量海底錨點坐標，因此無法掌握肇事船拋錨點與海纜實際距離，嚴重威脅海纜安全。

按照超高壓公司頒布的《500千伏福港線海底電纜運行維護工作標準》，海纜路由檢測每2年開展一次。海纜路由檢測利用水下機器人、有源探測、聲學、可視攝像、光纖探測等成熟技術對海底電纜運行環境進行全面檢查，排查海纜保護的薄弱環節及海纜保護程度變化趨勢，及時采取措施提高海纜保護水平。

在2013年進行的海纜綜合檢測中，海口分局委托外單位采用先進的SONIC 2024型多波束測深儀，按照“無縫覆蓋要求”，依照布設好的測線，對海底電纜區域進行全覆蓋式的水深測量，同時保證相鄰測線間有不少于10%的重復覆蓋。若測區缺乏聲速或水文資料，應布設適當數量的聲速或水文觀測點，以獲取聲速剖面資料用于測深資料的聲速改正。

3 多波束系統在海纜運維中的應用

3．1 多波束系統功能分析

下文以目前國內市場應用廣泛的SONIC 2024為例對多波束系統的功能進行分析。

3．1．1 在線調頻

SONIC 2024多波束聲吶系統可以在200～400 k Hz（升級選項700 k Hz）之間連續在線選擇頻率。

SONIC 2024具有在線連續調頻的能力，用戶可以在200～400 k Hz范圍內實時在線選擇21個工作頻率（圖1），而不是被限定在2～3個工作頻率。在測量過程中可以根據瓊州海峽海底環境調整系統頻率，從而達到最佳的量程和條帶覆蓋寬度效果。此過程不需要重新啟動系統，測量過程無任何間斷。

3．1．2 條帶覆蓋寬度在線可調

SONIC 2024具有條帶覆蓋寬度在線實時可選的功能。在10°～160°范圍內，可以根據實際作業情況靈活選擇合適的覆蓋角度（圖1）。當選擇一個較窄的覆蓋扇區時，所有的聲學水深點集中在這個窄條帶內，以增加系統的分辨率，檢測細小的水底特性。寬條帶扇區設置通常用于一般意義上的地形測繪，或者用于碼頭、防波堤、大壩、橋樁或者橋墩等垂直面的檢測。SONIC 2024的寬覆蓋能力增加了開角范圍，在作業時不必旋轉聲吶頭的角度。

圖1 頻率和條帶覆蓋寬度設置界面

3．1．3 性能穩定，環境適應能力強

SONIC 2024系統已經在國內實際投入生產超過100套，均能長期穩定運行。系統適應在內河及近海中安裝和長期使用，工作溫度范圍可達－10～50℃，濕度可達90%。長時間的實際操作效果證明，該系統完全具備在瓊州海峽進行長時間連續作業的能力。

3．2 多波束系統可應用性分析

3．2．1 500 k V海底電纜路由坐標（含兩側登陸段）測量

R2－SONIC 2024多波束的掃測角最大可以調節到160℃，在這個情況下，水深與掃測量程比例最大為1∶11．3，但波束開角太大，會造成邊沿波束質量差。根據以往經驗，波束開角一般為140℃，采集的數據質量較好，這時水深與掃測量程比例為1∶5．7。多波束系統測深時要求全程覆蓋，并保證測線間有10%的重疊度，對于測區內水深較淺的區域，如果按主測深線間距作業不能覆蓋時，中間應再加測一條，確保質量不受影響。多波束測深系統就是一個能夠充分滿足該用途的設備方案。

（1）多波束測深系統通過GPS和姿態傳感器（或一體化光纖羅經和姿態傳感器）來得到多波束換能器陣的絕對坐標，通過波束控制技術，得到每個回波所對應的水下坐標。

（2）SONIC 2024及2022多波束系統的量程分辨率可達1．25 cm，且SONIC系統的波束開角標準為0．5°×1．0°，其在海底的腳印在20 m左右時為0．17 m，升級700 k Hz可達0．3°，腳印大小0．10 m。另外，多波束系統的波束不是相鄰排列的，而是每個波束都有一定程度的重疊，因此，多波束在20 m時能夠分辨的物體目標遠遠高于0．17 m，實際應用中能夠清晰地分辨出高壓電纜，從而在處理后，可以讀取出海纜的坐標。

3．2．2 500 k V海底電纜裸露、懸空檢測（含三相鑄鐵套管保護段）

海底電纜的裸露／懸空檢測方面，可以通過利用多波束測深系統、側掃聲吶系統及淺地層剖面系統進行，且該應用已經在國內、國外比較普及。

3．2．3 500 k V海底電纜拋石保護石壩外觀檢測

可以通過使用側掃聲吶對該位置進行快速定位，然后利用多波束系統進行細致的結構檢測。石壩厚度檢測采用如下方法相互驗證和對比：

（1）通過已有石壩區域多波束三維地形資料與未鋪設石壩的多波束三維地形資料的疊加對比，得出現有石壩的高度。

（2）本方法假定石壩下地形與其兩側地形起伏誤差可以忽略不計，即可以使用系統上自帶的高度計獲取石壩上方高度數據以及石壩兩側任何一方高度數據，最后2個數據相減獲得石壩高度；相同的方法同樣可以用于多波束系統獲得的地形數據，從而獲取石壩高度。

4 結語

從經濟性分析，目前國內市場運用的多波束聲吶及側掃聲吶系統價格無較大差別。從產品性能分析，多波束聲吶系統主要性能不同點為水深量程、安裝方式不同，其他參數無較大差別。因此，目前國內主流的多波束系統適用于海口分局對海底電纜的測量。