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近年来国家极度重视海洋开发和海防建设。如海上风电场勘察、海缆路由的勘察和运维检测工作现正热火朝天；国防建设需要对国家领海海域情况进行全方位掌握；近海的桥梁工程、隧道工程及各种通信光缆、电力电缆铺设及后期检测工作越来越火热。诸多海岛填海造陆和各种联网以及海洋环境、资源调查和保护等，市场的现状已经成规模，前景相当明确广阔[1,2,3,4,5,6]。其富有代表性的是海上风电项目，至目前为止，沿海各海域海上风电项目几乎已经规划完毕，随着国家相关政策已经出台，各风电场准备或者已经开始着手建设，其建设和运维过程中包括后期运维检测、监测工程项目极多。
500 kV海南联网大通道海底电力电缆工程是南方电网跨省区主干网和重要联络线，是国家实施西电东送战略的重要项目[7,8,9]。该项目自2009年建成并运营，由于海缆路由区地形起伏多变，分布有陡坡、槽底、冲刷沟槽、突起丘状坡顶，存在大面积的鱼鳞状冲刷坑和沙波，海底环境复杂、水动力条件强，海流流速大、流向复杂，随着时间积累，海底冲刷严重，从而可能造成海缆裸露、悬空进而会造成海底浊流和碎屑流直接冲刷或者携带其他物质对海缆进行冲击，直接或者间接威胁海缆的安全[7,8,9,10,11,12,13]。故对海缆路由坐标及埋深检测、海缆路由障碍物检测、海缆路由裸露、悬空、抛石石坝(海缆保护的一种方式)检测，可降低海底电力损害几率，为海缆安全运营提供保障。
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目前，海底管线探测技术方法众多，其中具有代表意义的主要技术方法如表1所示。常规的海底管线探测水面技术方法主要有：海洋管线仪、磁力仪、侧扫声呐；随着ROV应用越来越广泛，出现了大量基于ROV为基础近距离追踪或者完成海底工程的项目，如：基于ROV的海底管线探测水下技术方法主要有：水下海底摄像、TSS系统(代表设备为TSS350)、水下声呐等[14,15,16,17]。
方式 方法 原理 优点 缺点 水面拖拽 磁法 通过探测水下磁场变化，从而探测出水下管线等磁异常体。 对磁性物质敏感，精度高。 定位精度较低。 多波束 采用声波原理测定管道路由区域的地形地貌，主要用于分析海缆变化原因。 分辨率高，图像清晰，效率高。 水深大条件下分辨率较低。 侧扫声呐 采用声波原理，通过拖鱼发射声波，接收遇到目标体反射回来的声波信号，形成图像，从而识别海底管线等目标体。 分辨率高，工作效率高，图像清晰。 水深条件下定位精度较低。 浅地层剖面(海洋管线仪) 采用声波原理，通过发射机发射声波脉冲信号，接收机接受反射声波脉冲并形成图像，可识别管线等目标体。 对管径较大并埋藏较浅的管道探测明显。 对小管径管线探测能力弱。 水下ROV集成 水下摄像 采用光学摄影原理，在水下机器人光照下进行拍照及录像。 摄影直观可靠。 可视距离较短。 声呐摄影 采用声波原理，通过集成在ROV上的声呐设备发射声波，接收遇到目标体或水底反射回来的声波信号，形成图像，从而识别海底管线等目标体。 近距离摄影，分辨率高。 探测范围有限。 TSS350电磁感应 通过电磁感应原理接受加载在海底电缆上的特殊频率信号，结合高度计并通过公式换算计算海缆的位置及埋深。 近距离探测，易追踪，探测效果好，精度高。 探测范围小。 Table 1.
Submarine pipeline detection technology 但由于海底电力电缆检测的特殊性，需检测其路由、埋深精确坐标及裸露、悬空情况，海洋管线仪及磁力仪都未能满足其高精度要求。故在海缆检测中主要采用侧扫声呐(包括水下机器人集成声呐)、水下海底摄像、TSS系统(代表设备为TSS350)等，为分析海底电力电缆风险点原因，还需进行地形地貌检测及流速观测，从而可更好的分析海缆路由变化及裸露、悬空产生的原因。
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声呐摄影分为水面拖体侧扫声呐及水下机器人集成声呐。水面拖体侧扫声呐系统是一种多脉冲高速侧扫声呐，又是一种高分辨率双模式侧扫声呐，其原理是通过放在水下拖鱼中的换能器以一定的倾角向测线两侧发射脉冲宽度为零点几毫米到几毫米的超声波至海底，按照声波发射与散射原理，其中必定有部分散射回到拖鱼为换能器接收，换能器在接收到回散射信号后，便立刻转变为电信号并通过一系列的放大原理，在电脑中记录下它的灰度强度，然后通过对记录上的回散射信号的判读与解释，可以得出水底地貌图像与外来物体存在的情况，从而用来达到寻找水下障碍物与疑存物的目的。
水下机器人集成声呐的原理与水面拖体侧扫声呐系统原理一致，其不同点是将声呐集成在水下机器人(ROV)上，通过对指定水域进行扫测，将数据通过ROV的脐带缆传回工作船的工作室，通过专用软件分析出二维、三维声呐影像图。由于是近距离扫测目标体，水下机器人集成声呐的工作频率要求更高，故扫测更为精细。
Figure 1. Integrated sonar system
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集成水下摄像是将照明系统及水下高清摄像头、低光黑白摄像头集成在水下机器人上，配置相应的云台，通过实时摄像将视频设局通过脐带缆传回工作船的工作室，从而可近距离直观观测水下目标体、障碍物、地形地貌、海底底质等状况。由于海底可视距离较短，而同时由于高流速扬沙，故需采用低光黑白摄像头进行摄像，同时需要配置合理的组合和配置光源，以提供一个在色彩/强度/位置最优化的摄影角度和光源配置。
Figure 2. Integrated underwater camera system
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TSS350管线探测仪属于有源探测，分为两组三分量探头进行海缆空间位置探测，结合高度计测量TSS350与海底的高度，从而可获得海缆路由位置及埋深。
TSS350测量原理：当磁感应单分量的线圈与电缆成平行时线圈感应电流为最小值零；当磁感应单分量的线圈与电缆成垂直时线圈感应电流为最大值；当磁感应单分量的线圈与电缆成一定角度时线圈感应电流为介于最大值与最小值中间，同时采用两个相互垂直的线圈同时探测电缆，从而通过测量值的比值计算出线圈与电缆的夹角[16]，如图3所示。
Figure 3. Schematic diagram of the angle between two vertical coils
而在实际工作中通常采用两组线圈进行海缆路由、埋深探测，及采用两组探头，由于探头间距已经设定，故可根据线圈测量值计算的夹角以及几何关系计算出海缆相对线圈的空间距离，此时结合高度计即可计算出海缆路由、埋深数据，如图4所示。
Figure 4. Schematic diagram of detecting cable buried depth by coil group
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多波束测深系统由于可一次获得几十上百个测深点数据从而形成一定宽度的全覆盖水深测量条带[17]，具有测量点密集、分辨率高、工作效率高的特点，被广泛应用于海底地形地貌测量。在海底电缆检测中应用多波束测深系统主要目的是分析海缆出现裸露、悬空以及其他风险点的时候，根据海底底质进行分析原因。多波束系统其原理是利用超声波原理，其发射探头与接收探头一体化，有发射探头激发出扇形声脉冲信号，声脉冲信号在海水中传播并被海底及目标体反射，由接收探头的水听器组合阵接收，水听器组合阵不同基元根据接收到的信号进行相位、时间来确定海底目标体位置及方向，通过结合定位系统(GPS)、姿态传感器、声速剖面仪和电罗经对多波束系统进行实时补偿，从而能够精确快速的测出沿航线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描绘出海底地形地貌的精细特征，从而用来达到检测抛石坝外观及海缆保护情况的目的。
Figure 5. Geometry of multi beam beam
1.1 声呐摄影
1.2 集成水下摄影
1.3 TSS350
1.4 多波束
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海南联网海底电缆检测是国内电缆检测标志性项目，自运营以来每两年需进行一次检测。根据现有的检测方法，摒弃了海洋管线仪及磁力仪检测方式，采用水面测量与水下机器人检测相结合的方式。其中水面上主要采用侧扫声呐，同时采用多波束及ADPL进行地形地貌、海水流速测量，以便分析海缆路由、埋深变化的原因；水下机器人检测主要以水下机器人为载体，携带声呐、水下摄像头、TSS350进行摄影、路由埋深探测等工作。
其工作过程为：选择DP船＋ROV＋USBL/ DGPS定位配套系统，计算并实时调控ROV行进速度和航向(ROV距离海底0.5～4.0 m，以不触碰海底为前提，行进速度保持0.5节左右)；采用USBL＋DGPS相互补充验证的海上航向及定位方法，对海底电缆位置、ROV位置进行准确定位；TSS350系统加载集成在水下机器人上，通过向前搜索模式确定电缆的位置，SCD可以显示一个估计的ROV行进范围，以指导ROV的走向。当确定电缆的位置之后，采用运行模式保持ROV处于电缆的上方进行追踪探测。另外，保持ROV在水下的姿态，确保TSS350线圈平行于海床面，从而保证获取每隔5m的路由和埋深数据；于此同时，集成在ROV上的摄像头及声呐系统进行摄影，通过脐带缆将视频数据传回DP船工作室。
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通过水下机器人摄像头，可对海缆路由区域进行检测，获取海底电缆周边影像，根据影像分析障碍物，如对海缆路由残存海床的锚具、锚链、缆绳缠绕海缆等异物须记录位置坐标并记录着床姿态，如图6所示；同时可辨识海底电缆裸露和悬空情况，确定裸露段、悬空段的长度等，如图7所示；对海缆保护石坝进行辨识，识别海底电缆上方石坝的外观状态，是否存在塌散或变形等，如图8所示。
Figure 6. Cable obstacle detection results
Figure 7. The cable suspended bare, test results of video screenshot
Figure 8. The test results of dam video screenshot
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由ROV携带TSS系列海缆埋深检测设备，可对海缆路由、埋深进行检测，如图9所示。同时，对实施过抛石保护的海缆路由区域进行探测，获取抛石段海底电缆正上方石坝厚度及电缆埋深，其方法为假定石坝铺设地与其两侧地形起伏误差可以忽略不计，即可以使用TSS系统上自带的高度计ALT250获取石坝上方高度数据以及石坝任何两侧一方高度数据，最后两个数据相减获得石坝厚度，埋深检测成果如图10所示。
Figure 9. The detection of TSS350 screenshot
Figure 10. Submarine depth detection result map
图11、表2为抛石石坝平均检测厚度及与石坝平均设计厚度的对比图、数据对比表。从图上可知抛石石坝平均设计厚度为0.75 m，而平均检测厚度接近1 m，分析其原因为抛石过程中石料过多导致；对于部分石坝变薄处，其原因为海底底质松软导致石坝高度变低，同时考虑到海缆路由区域强海流冲刷，导致石坝被冲散。
序号 开始KP/km 结束KP/km 石坝平均设计厚度/m 石坝平均检测深度/m 1 12.392 12.43 0.6 0.21 2 12.473 12.574 0.83 0.72 3 12.639 12.715 0.8 0.65 4 12.739 12.865 0.83 0.85 5 12.89 12.972 0.75 0.68 6 13.019 13.093 0.7 0.46 7 13.119 13.12 0.7 -0.24 8 13.18 13.205 0.73 -0.37 9 13.26 13.261 0.7 0.04 10 13.289 13.29 0.7 1.79 11 13.33 13.341 0.75 0.31 12 13.366 13.377 0.83 0.11 13 13.4 13.415 0.79 0.31 14 13.46 13.892 0.84 1.47 15 13.955 14.126 0.83 1.22 16 14.149 14.377 0.86 1.11 17 14.408 14.419 0.78 -0.22 18 14.451 14.468 0.77 1.61 19 14.493 14.587 0.83 1.13 20 14.705 14.732 0.64 0.19 21 14.787 14.83 0.91 0.26 22 14.903 14.956 0.92 1.04 23 15.07 15.164 0.9 1.42 24 15.211 15.275 0.81 0.67 25 15.297 15.309 0.93 0.42 26 15.371 15.378 0.61 1.24 27 15.454 15.489 0.76 1.67 28 15.52 15.539 0.77 -0.05 29 15.568 15.734 0.84 0.85 30 16.207 16.211 0.77 0.07 31 16.238 16.511 0.77 0.89 32 16.544 16.547 0.75 1.11 33 16.576 16.578 0.71 1.16 34 16.646 17.048 0.77 1.16 35 17.075 17.425 0.96 1.17 36 17.501 17.72 0.82 1.26 37 17.755 17.766 0.72 1.25 38 17.849 18.245 0.9 1.41 39 18.385 18.453 0.82 0.79 40 18.478 18.479 0.73 1.57 41 18.54 18.696 0.83 1.28 42 18.844 18.968 0.78 0.84 43 19.117 19.129 0.7 0.73 44 19.804 20.386 0.95 1.14 45 20.933 20.944 0.89 0.01 46 21.0 21.024 0.71 1.23 47 21.072 21.088 0.83 1.17 48 21.124 21.227 0.83 1.02 49 21.249 21.564 0.7 1.16 50 21.628 21.639 0.68 0.69 51 21.85 21.924 0.79 0.56 52 22.166 22.223 0.79 1.03 53 22.436 22.607 0.78 0.94 54 23.092 23.285 0.78 0.70 55 23.319 23.328 0.76 0.97 56 23.356 23.388 0.72 1.39 57 23.768 23.77 0.65 1.16 58 23.823 23.875 0.76 0.98 59 23.9 24.212 0.71 1.29 60 24.587 25.016 0.73 0.99 61 25.072 25.336 0.78 1.35 62 25.371 25.727 0.74 1.29 63 25.754 26.58 0.83 1.22 64 26.995 27.005 0.64 0.90 65 27.199 27.199 0.63 1.20 66 27.417 27.423 0.67 -0.05 67 27.556 27.795 0.78 0.74 68 27.869 28.006 0.87 0.64 69 28.087 28.097 0.74 0.14 70 28.168 28.865 0.79 0.62 71 28.891 28.905 0.68 -0.92 Table 2.
J1(A)riprap stone dam average thickness comparison table 
Figure 11. J1(A)riprap stone dam average thickness comparison chart
图12为J(B)相KP5.4-9区段2016年埋深检测与2013年对比图，分析该图得出：2016年检测此区域埋深约2 m，2013年埋深约2.5 m，即三年间埋深降低了0.5 m，按照目前的发展趋势，到2022年此处埋深将小于1 m，不满足设计标准，此区段将成为风险区段。根据海缆路由海底地质资料反映，KP5.4-9区域海底土壤属于易被冲刷的软质层，在海流冲刷等因素的作用下，海缆埋深逐渐变浅，自保护能力下降，故在后期需要材料抛石、联排石垫等措施进行保护。
Figure 12. J(B)phase KP5.4-9 depth detection in 2016 compared with the year of 2013
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通过声呐摄影，可对海缆路由区域进行检测，获取海底电缆周边影像，根据影像分析障碍物，如对海缆路由残存海床的锚具、锚链、缆绳缠绕海缆等异物须记录位置坐标并记录着床姿态，如图13所示；同时可辨识海底电缆裸露情况；对海缆保护石坝进行辨识，识别海底电缆上方石坝的外观状态，根据抛石坝深度坐标计算抛石坝厚度等，如图14所示。
Figure 13. Submarine sonar obstacle detection results of photography
Figure 14. The dam detection results of sonar photography
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对海底电缆路由区域进行多波束测量，主要目的是进行海底电缆产生裸露、悬空的原因进行分析。通过多波束测量，对海缆区域海底底质及地貌分析发现：海缆路由范围内发育有大量的海底沙波，沙波的高度一般在2～6 m之间，波长一般在100～400 m之间(最大波长达500 m)。向流面的坡度长而缓(斜率一般在2%～6%)，背流面的坡度较陡(斜率一般在16%～18%之间)。多数沙波呈明显的不对称，在部分较大沙波的向流面上发育有次一级沙波。根据检测结果分析，路由海底存在的不良地质现象包括沙波、沙堤沙丘、冲刷槽、冲刷脊和丘状突起、陡坡、滑坡、珊瑚礁、浅埋岩石、软弱地层等。此外，海缆路由区地形起伏多变，分布有陡坡、槽底、冲刷沟槽、突起丘状坡顶，存在大面积的鱼鳞状冲刷坑和沙波，地形横截剖面呈锯齿状；沙波基本在整个路由都出现，脊部大体上呈南北向，与琼州海峡的潮流方向(N～E)基本相垂直；形状大小、长度、波高呈从北往南逐渐变大的趋势，如图15，图16所示。故海底沙坡及极其复杂的海流流态是造成海缆裸露、悬空及抛石难以固定导致散石的主要原因。
Figure 15. Multi beam results in Hainan networking project
Figure 16. Multi beam results in Hainan networking project
2.1 视频摄像
2.2 TSS350检测
2.3 声呐检测
2.4 多波束测量
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海底管线探测的技术方法很多，但由于海底电缆检测精度高的特殊要求，常规的磁力仪、管线仪探测技术方法已经显得较为粗略。
本文对比了海缆检测各技术方法的优劣性，提出以水下机器人为依托，多种检测方法集成近距离检测海底电缆的综合技术方法，通过水下机器人携带各种设备近距离检测，以常规的海底地形地貌等测量技术作为辅助手段的综合技术已经适用市场，同时适用于复杂多变的路由海床环境。
本文以海南联网海缆检测标志性项目为例，介绍了以水下机器人为依托，携带摄像头、声呐系统、TSS350近距离检测海缆路由埋深、抛石石坝外观、抛石石坝厚度、海缆裸露悬空及风险点、海缆路由区域障碍物等，辅以多波束、ADCP进行海缆路由区域地形地貌、海流测量，分析海缆埋深、路由等状况变化的原因，实例表明，该综合检测方法全面，检测效果好，历次检测结果对比吻合度高，准确掌握了海缆运维的实际状况。为后期海缆检测及运行维护提供了参考依据。
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