波浪能示范區海底電纜多元融合探測技術研究

王志彬 張潤達

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320）

0 引言

近年來，多波束測深系統［1］、側掃聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等被應用于對海纜和海底障礙物的探測中。但因自身具有局限，導致單一探測技術無法準確、全面獲得海纜、障礙物的存在形態，這就使多種探測技術的聯合應用成為趨勢。陳正榮等［2］提出了多波束測深系統和側掃聲吶的聯合應用方案，并用來掃測海底掉落的集裝箱。王強等［3］、陳超等［4］、黃小衛等［5］提出了多波束測深系統和側掃聲吶的聯合應用方法，用于檢測海底電纜路由及海上風電場水下結構的沖刷情況。董玉娟等［6］根據側掃聲吶、淺地層剖面儀特點，研究EdgeTech 3100 型淺地層剖面儀和4200-FS 型側掃聲吶系統在海底輸油管道檢測中的應用。綜上所述，兩種甚至多種探測技術在海底障礙物及海底電纜探測中的聯合應用日益廣泛。目前，學者對如何獲取海底電纜路徑上的詳實水深數據、水下結構圖像及海底電纜埋設情況的研究相對較少。本研究提出一種融合了多波束測深系統、側掃聲吶和淺地層剖面儀的多元探測方法，并使用該方法對珠海大萬山島波浪能示范區的海底電纜路徑水域進行全覆蓋測量。

1 測區概況

珠海大萬山島是我國海洋能資源最豐富的海域之一，全年主要風力分為秋冬春三季的東北季風、夏季的西南季風。大萬山島北側有白瀝島，西側有小萬山島，東南側15 km 處有廟灣島和北尖島。整個大萬山島受東北、東、東南、南、西南方向海浪的影響，而島嶼南側區域各方向波浪均可抵達。大萬山島南側四季具有較均勻的波浪能資源，年均波浪能流密度不低于5 kW/m，全年有效波高為1.5～2.5 m的累計時間不小于2 000 h。大萬山島南側的波浪能資源豐富，四季分布均勻，海底平整，流速較低，與海島其他用戶的海運需求并無沖突，適合作為波浪能發電系統的工程示范區，示范工程示意如圖1所示。

圖1 大萬山島波浪能示范工程示意

2 掃測方案

使用T50-P 多波束測深系統對測區進行掃測，并使用Klein 4900多功能側掃聲吶和EdgeTech 3400淺地層剖面儀進行多元協同探測。掃測時，按照國內相關技術規范和IHO S-44 Ed.5 1a 等級測量標準來執行。以當地理論最低潮面為水深基準面，采用四尺巖自動驗潮站進行水位控制，使用Trimble SPS 461 DGPS 定位系統來接收無線電差分臺信號，從而實現實時定位。DGPS 接收機輸出的成果為WGS-84 坐標系中的坐標，在航海用途上，WGS-84 坐標系等同于CGCS2000 坐標系，可直接輸入到Hypack 測量軟件中進行導航。測圖采用高斯-克呂格投影，3°帶投影，中央子午線為114°E（38°帶）。

3 掃測流程

3.1 多波束水深測量實施

在進行水深測量時，采用DGPS 系統進行定位，輸出WGS-84坐標給導航計算機，用于船舶導航和航跡線記錄，用多波束測深采集系統對位置、水深及各種姿態傳感器數據進行采集。多波束換能器采用船舶側舷支架方式進行安裝，將羅經設置為水深測量的參考原點，建立以船艏方向為Y軸（指向船艏為正）、垂直船艏方向為X軸（指向船右舷為正）、Z軸（鉛垂方向，向下為正）垂直于XOY朝下的左手船體坐標系。各單元的位置關系詳見表1。量取相關位置數據后，分別輸入到船配文件中，并在Caris Hips＆SIPS 8.1多波束數據處理軟件中進行歸心改正。測量水深前進行安裝校準，校準參數包括橫搖、縱搖、艏向，通過軟件對外業采集到的數據進行校準計算，求得各改正值（橫搖1.70°、縱搖-2.00°、艏向1.00°）。多波束掃測按間距為40 m、平行于海底電纜來設計線路，布設往返兩條主測深線進行覆蓋測量。在多波束掃測時，將航速控制在12.96 km/h內，測線兩端延長200 m，以確保多波束采集系系統能穩定運行，保證采集數據的可靠性。另外，按主測線里程的5%布設單波束檢查線，用于在內業處理時對多波束水深數據進行檢核。在水深測量前、中、后各進行一次聲速剖面測量，當聲速剖面發生顯著變化時，增加聲速剖面的測定次數。為消除多波束測量時的邊緣波束測量誤差，可在多波束換能器附近安裝表層聲速儀［7］。

表1 T50-P多波束測深系統各單元相對位置參數

3.2 側掃聲吶掃測實施

側掃聲吶主要用于檢測海底沖刷狀態，包括定位、海底地貌圖像采集、聲吶數據處理、聲圖判讀、目標分析等功能。大萬山島波浪能示范區探測海域水深在24 m 左右，側掃聲吶在掃測時要平行于海底電纜的設計線路，在設計線路兩側40 m 各布設兩條測線進行檢測。

側掃聲吶掃測使用的是Klein 4900 系統，采用高頻工作模式，選用75 m 量程，拖魚拖曳深度為2 m，船速控制在7.4 km/h 左右，從而能獲取較為清晰的海底圖像。

3.3 淺地層剖面儀掃測實施

根據多波束測深系統與側掃聲吶的掃測結果，使用EdgeTech 3400 淺地層剖面儀對海纜的埋設信息進行詳細探測，主要用來探測海纜埋深及是否存在裸漏等情況。在使用淺地層剖面儀掃測時，按垂直于海底電纜設計線路布設淺地層剖面儀的探測計劃線，計劃線間距為100 m，在海纜拐點處加密探測。設備以側舷支架固定的方式進行安裝，使用DGPS進行定位，采用Discover SB 軟件來采集數據。在采集數據過程中，要密切關注底跟蹤等參數，確保采集到的影像清晰可辨。掃測采用獨立的管線模式，有利于采集地層界面反射系數，從而確定海底電纜埋設情況。

4 掃測結果分析

4.1 水深情況

完成外業數據采集后，使用Caris軟件Hips模塊對采集到的傳感器數據（多波束數據）進行處理，并通過設定合理的過濾參數，來剔除水深數據中的虛假信號。在Hips 模塊中，建立地域圖表文件，直觀地顯示出海底地形的掃測圖像，并將水深數據以XYZ格式文件輸出。使用Hypack 軟件對單波束數據進行處理，通過刪除假信號、水位改正后，輸出XYZ數據，并與多波束數據進行比較。除接近大萬山島的水域較淺外，海底電纜路徑水域水深基本在24 m左右。經多波束主測線與單波束檢查線水深比對（抽取170 個水深重合點進行比對），最大互差為±0.3 m，符合率為100%，符合規范要求。

4.2 海底電纜路徑設計情況

由于多波束測深系統覆蓋全、精度高、位置信息準確，側掃聲吶系統分辨率高、實時性好、測量效率高，將兩者協同應用，能詳細地反映出海底電纜的路徑信息，如圖2、圖3所示。

圖2 海底電纜實測路徑水下結構三維點云

圖3 海底電纜實測路徑水下結構側掃聲吶圖像

大萬山島波浪能工程區海底電纜實測路徑與設計路徑基本吻合，局部情況如圖4 所示。掃測的最大偏差距離為20 m，如圖5 所示。這是因為在海底電纜鋪設過程中，受潮流流向趨勢、風向、船舶行駛方向偏離設計路線等因素的影響，從而造成偏差。

圖4 海纜實測路徑與設計路徑局部吻合情況示意

圖5 實測路徑與設計路徑最大偏差距離示意

4.3 海底電纜埋設情況

淺剖測量結果如圖6 所示。圖像可明確指示出海底電纜的埋深情況。

圖6 海底電纜淺地層剖面儀圖像

由各測線的淺剖分析結果可知，大萬山島波浪能示范區海底電纜均處于安全穩定狀態，其埋深情況見表2。

表2 大萬山島波浪能示范區海底電纜埋深情況

綜上所述，通過對海底電纜路徑上的詳實水深數據、水下結構圖像及海底電纜埋設情況進行全面、準確的探測，為大萬山島波浪能示范區海底電纜運維提供依據。

5 結語

本研究采用多波束測深系統、側掃聲吶和淺地層剖面儀聯合探測的方法，對珠海大萬山島波浪能示范區海底電纜進行全覆蓋探測。通過對測量數據、三維圖像等進行分析比較，獲取海底電纜路徑上的詳實水深數據、水下結構圖像及海底電纜埋設情況，提高不同方法探測的全面性、準確性。特別是多種設備在對海底電纜探測時可實現優勢互補，將三者的影像在底質和地理位置上進行疊加，可極大地提高了海底電纜解譯的準確性，為船舶通航、錨泊安全及海底電纜的安全維護提供了強有力保障，對海纜維護探測具有一定的借鑒意義。但淺地層剖面儀在砂底質的海底穿透能力較弱［8］、分辨能力較差，海底電纜埋設情況的探測技術研究仍有待深入。