溪流笔谈▏水下管线目标的探测方法与优缺点分析
随着近年来海洋开发活动的日益增加，各级部门对海洋设施的保护也愈加重视。比如海底电缆及光缆在布设过程中，国网公司或电信部门往往要求实施双回路进行备份布设，就是希望其中一条光缆或电缆在遭受外力影响损坏的情况下能用备份光缆或电缆继续工作，以确保人们的生产与生活活动的正常开展。
海上水下管线的损坏不外乎以下五种情况：一是海洋渔业活动对水下管线造成的影响，主要是拖网作业所导致；二是海上船只抛锚对水下管线造成的影响；三是不可抗拒的外力影响，如地震、海啸等；四是海洋水动力环境所造成的地貌冲涮或侵蚀，导致水下管线裸露或架空；五是路由线路选择不当，经过了基岩区等不良地质区域，因管线不断磨损所导致。
海上水下管线按目标物的大小可分海底输油、输水管线等管径较粗目标，及海底电缆、光缆等较细目标。按管线的现状情况，又可分出露海床表层的目标、架空目标及掩埋目标三类。其中海底电缆和光缆的深水段一般以敷设为主，浅水段考虑到海洋活动的影响以埋设为主。当然，因为水动力影响所产生的淤积、冲涮或侵蚀，会令水下管线的现状发生改变，埋设区域有可能因地貌冲涮而裸露或架空，敷设区域也会因地貌淤积而被掩埋。
采用现代海洋科技手段对海底管线目标的探测方法较多，对于裸露目标探测而言，一般可以采用多波束水深测量、侧扫声呐扫侧和合成孔径声呐测量等；对于掩埋目标探测而言，一般可以采用浅地层剖面测量、电磁感应法探测、海洋磁力测量和合成孔径声呐测量等。下面就来展开说明，分析各种探测方法的优缺点，供大家参考。
一、多波束水深测量
多波束测深系统通过各种传感器，对各个波束测点的空间位置归算，获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据，再通过云计算类似的方法，获取海底地貌特征数据，见下面所示，用不同色差的渲染来表达海底地形。
对于海底管线一般在埋设过程中，海底地形地貌会有扰动，对于裸露部分或扰动区域就能比较清晰地在多波束测深系统资料处理图像中得以体现，如下图所示，目标清晰可辨。
采用多波束测深系统进行管线裸露目标探测，其优点是能对管线位置进行精确定位，给出坐标位置及顶端标高，并对周边的海底面状况进行展示，对被架空或刚刚铺设的管线目标分辨清晰；缺点是多波束覆盖宽度与水深有关，在浅水区效果一般，且对已经淤平管线目标没有探测能力。下图为刚刚铺设三条海底电缆的三维动态显示截屏图，管线清晰可见。
二、侧扫声呐扫侧
侧扫声呐属于海底成像设备，与多波束系统不同，侧扫声呐是实现波束空间的粗略定向，对位置要求不高，获取的是海底目标的相对回波强度信息，着重的是图像信号的分辨率，见下图所示，侧扫声呐对位置的定向功能要弱于多波束测量系统。
侧扫声呐与多波束测深系统一样，着重对海底表层裸露目标进行探测，能依据声图像的灰度变化，在现场就可清晰地判断海底地貌的起伏变化状况，判明裸露和架空电缆的走向及位置，并通过图像不同纹理来判读海底底质类型的大致状况，通过目标阴影及尺度判读目标的大致出露情况及水下目标的大致类型，见下图。缺点是不能对海底目标的底标高进行测定，目标尺度与位置的坐标量取有一定误差，与拖体的安装方式有关，但目标形状呈现清晰。
下图为三条海底电缆同时出现的场景，按淤埋的情况可分为三类：清晰可见的海缆沟痕、隐约可见的海缆沟痕和基本不可见的海缆沟痕。对于隐约可见的海缆沟痕判断需借助于原有的布设位置图等相关资料来进行综合分析，才能得出结论。
相对于多波束测深系统，侧扫声呐扫测安装比较简单，其覆盖宽度与水深并无关联，可按系统量程档设置扫测范围，覆盖面宽，工作效率高，能得到海底地貌声图，但缺点是不能得到海底地形的准确位置信息，见下图。
三、浅地层剖面测量
浅地层剖面仪是一种走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法，其主要特点是探测记录海底浅地层组织结构，以垂直纵向剖面图形反映浅地层内部结构，具有较好的分辨率。浅地层剖面仪生成的图像可用于识浅部地层产状、内部结构，各种灾害地质因素（如浅层气、埋藏河道、断层等），而且还能够判断某些埋藏物与海床的空间位置关系，如海底管道、坐底构筑物等的埋藏深度和位置等等。
上图中左图为埋藏管线，右图为裸露管线，图像中弧度区域为管线位置。总体而言，浅地层剖面测量对于海底输油、输水管线等管径较粗目标效果较好，一般其断面声图像能清晰地显示各种状态信息，包括管道位置、埋深、裸露和悬空情况；但对海底电缆、海底光缆等较细目标探测效果往往不太理想，与海区的地层结构有关，也与被淤埋的时间长短有关。
浅地层剖面测量设备按技术分类为电磁式、压电陶瓷式和声参量阵式三种，分别为：电磁式通常多为各种不同名称的Boomer，穿透深度适中，但系统分辨率一般；压电陶瓷式优点是分辨率较电磁式高，穿透力较好，但系统分辨率低于声参量阵式；声参量阵式优点是发射指向性较高，其分辨率为三类设备里最高的，缺点是地层穿透深度较压电陶瓷式差一点。
从我们的工作实践来看，用声参量阵式浅地层剖面测量技术来探测海底电缆、海底光缆等较细目标效果相对较好。声参量阵式浅地层剖面测量仪特点是能够发射较小的波束角，分辨率比较高，而且没有旁瓣，波束指向性较好。
如上图所示，上图中1表示10KHz线性调频声呐的波束指向性，2表示10KHz参量阵声呐的波束指向性，3表示100KHz线性调频声呐的波束指向性，明显参量阵声呐波束指向性更好，且没有旁瓣。在低的信噪比情况下这种尖脉冲声波信号更加容易识别，能够反映出细小的沉积物界面声阻抗的变化。
以上图为例，可以在图中清晰地表达海缆沟槽的宽度、深度、底标高，及海底电缆的埋深、底标高等特征。同时，声参量阵式浅地层剖面测量仪是固定安装而非拖曳方式安装（见下图），相对而言，其换能器位置的定位准确，不需要进行偏差改正，同时加上潮汐改正后，可以确定探测目标的底标高，这是拖曳安装方式的设备所不能比拟的优势。
四、电磁感应法探测
TSS350是以交流载波法为原理的海缆追踪仪器，在电缆中有交流电时，其周围必然存在电磁波，被感应线圈接受其对应的感应电动势，而此电压与电缆距传感器的距离成反比关系，据此原理，可测算海缆距线圈的距离，配合自带的高度计，可以精确地探测出海缆的埋设深度。TSS350能搜寻其周围10m左右范围内的电缆信号，系统精度为0.1m左右。
TSS440是采用脉冲感应法(金属探测法)的电缆探测设备，包括三个线圈及高度计。在不接地回线中输入交变电流产生变化的磁场，海底金属目标感应此磁场产生二次磁场，最终由接收线圈接收二次磁场所对应的感应电压，从而确定目标物的距离，配合高度计可探测出海底电缆的埋深。TSS44无需向被探测物输入信号，但是被探测物的体积对探测效果影响较大。就铠装电缆而言，TSS440的探测深度和精度取决于海缆外径，下图所示。
TSS350/TSS440作为专门的海底电缆探测/追踪设备，其探测精度高，探测结果连续。设备安装于ROV上，仅需ROV沿海缆路由飞行即可连续采集埋深数据。同时，采集的数据在现场经过简单处理便可提交，据此判断埋深不足的区段，即行补挖。由于电磁感应法探测是平行管线方向探测的，因此作业效率也相对较高。
当然，电磁感应法探测也有其自身的不足。首先，必须保证电缆内携带电流且构成回路，如此，对于一些废弃电缆就没有探测效果；其次，其海缆埋深的测量是依据推算的方式得到，因此埋深测量精度的误差就较大；第三，TSS350仅能探测周围10m左右范围内的电缆信号，对探测时的航迹控制要求较高，需要精确的管线布设位置图辅助；第四，与海洋磁力测量一样，电磁信号在水下衰减较快，与电缆目标愈接近探测效果则愈好，因此需要ROV来配合测量，成本投入大；第五，对于渔网较多的沿岸岛礁海区，设备的自身安全是必须考量的。
五、海洋磁力测量
磁法探测的特点是它能连续、快速地测量地磁场及其微小变化，可在较大磁梯度环境下正常工作，不受空气、水、泥等介质的影响，能准确检测出铁磁物质所引起的磁异常。如果在正常的地磁场内，有一铁磁性物体存在，局部改变了地磁场的正常分布，就称磁异常。海底电缆的铁磁性材料和电缆中的电流会产生磁场，叠加在海底地磁背景场上，产生磁场异常，海底电缆产生的磁异常一般在0.5nT～150nT之间。目前广泛使用的铯光泵海洋磁力仪，采样率为1Hz时磁测灵敏度达到了0.005nT，因此能够反映海底微小的磁异常变化。
海洋磁力仪采用船只拖曳式安装，为了尽可能减小船磁影响，一般拖体距船只30米以上，拖鱼定位是依据推算方法获取，见下图。
海洋磁力测量与浅地层剖面仪测线布设方法相同，必须与路由方向垂直布设测线，通过检测目标海缆路由垂向的磁异常变化，来确定目标海缆的走向。一般海缆的磁异常数值变化范围基本在5nT～30nT之间，检测到的磁异常值大小和拖鱼探头与管线目标之间的距离有关，距离越近，信号强度则越大。见下图所示，为各线段的磁异常剖面图。
理论上把多条垂向测线上检测到的磁异常连接在一起，就可以得到整条路由线路的平面位置图，也可以通过资料后处理的方法得到整条海缆路由线路的平面剖面图，见下图所示。
当然，海洋磁力测量检测与电磁感应法探测一样，有其局限性。首先，海洋磁力测量检测能力与探头距海底电缆的距离有关，距离越远检测可靠性越差，而依据我们的实践分析，若超过10m就很难检测出海底电缆等磁异常信号，而拖体的下沉能力有限，一般加了配重最大在10m左右，这就意味着对水深大于20m的海区，海洋磁力测量方法探测效果不能保证，除非配合ROV进行探测；第二，海洋磁力仪采用拖曳方式安装，一般距船只需要30m以上，其拖体位置是靠推算得到，而水下流向不定，因此其推算定位精度上相对不高；第三，海洋磁力测量是通过检测磁异常来确定目标位置的，如果场区的背景场较干净，则效果较好，如果场区建设工程较多，背景场复杂，就很难鉴别磁异常是因电缆信号所引发或是其他信号所引发；第四，所有磁力资料处理需要专业技术人员进行资料后处理，在现场很难判断准确，而且用断面探测方式，其记录资料时离散的，没有连续跟踪海底掩埋电缆的能力，资料连续性较差；第五，用海洋磁力测量探测电缆管线，测线需要按路由方向的断面线布设，作业效率较低；第六，对于渔网较多的沿岸岛礁海区，设备的自身安全是必须考量的；第七，其海缆埋深的测量是依据磁异常强度推算的方式得到，因此埋深测量精度的误差就较大。
相对而言，海洋磁力测量探测海底输油、输水管线的效果较好，以下图为例，在观测平面内海底管道上方约20m的范围内磁场会出现较大的正异常，实验区管线目标的磁异常强度可到达329.8nT的量级，判断目标位置就会相对容易一些。
如果布设为间距10m的网格状测线，分别在路由的垂线和平行方向布设测线，就能从磁异常等值线图中得到相对准确的管线位置，如下图所示。在磁异常等值线图上海底管道表现为沿管道走向分布规律的“条带状”异常区域，区域的中心线即可确定为海底管道的位置；在垂直管道走向的剖面图上则表现为平滑的磁场强度剖面出现明显的“脉冲”状异常，极值点即可确定为海底管道的位置。
对于海底电缆或光缆而言，无论是海洋磁力测量仪还是浅地层剖面仪，其工作特点是必须与路由方向垂直进行。一方面，电缆线路的数据记录是离散的，路由线路的表述是由多个垂线上的特征点所连接而成，除非布设完全覆盖的网格状测线；另一方面，对于未能做垂线的线路点就不能探测到，数据连续性较差；再一方面，由于不断地做折线，不仅工作效率较低，而且不一定能探测到海底电缆目标。如下图所示，为沿路由垂向布设的探测航迹线。
六、合成孔径声呐探测
合成孔径声呐是一种新型高分辨率的水下成像声呐，基本原理是采用小孔径基阵移动形成虚拟大孔径，然后通过信号处理方法得到高分辨率的水下图像，合成孔径声呐成像原理示意见下图所示。
理论与实践表明，合成孔径声呐对于泥下3以内浅埋藏水下目标具有一定的探测能力，其优点是横向分辨率与工作频率和距离无关，且比侧扫声呐横向分辨率高1～2个数量级。但也会受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，从而产生声线弯曲、信号起伏和畸变，影响探测效果。
相对与单频合成孔径成像声呐，双频合成孔径成像声呐是在高频和低频合成孔径声成像技术的基础上，设计集成的一套双频合成孔径声呐系统，能够提供大测绘带、高分辨率的海底地形地貌图像；同时对海底及海底底质具有穿透性，能够对一定深度内的海底掩埋管线、电缆、光缆等进行探测，可广泛应用于油气管道探查、海底地形地貌成像和其他海底目标的探测，其扫测精度和扫测效率均优于其他类型的声呐设备。其设备安装图如下图所示。
下图是某油田一条海底光缆，电缆规格为8.7/15KV（3×120mm，+8芯光缆），长度为3289m，设计埋深约为1.8m，建于2006年。右侧较粗部分为输油管线，左侧较细部分（d点所指）为光缆管线。
在上图中，a点对应的为海底沟痕，b点是在高频成像和低频成像上都显示为高亮柱状形态，且在高亮柱目标周边未发现与之匹配的目标阴影，同时根据a点特征可初步判断，该点裸露为受到外界因素导致，如锚或拖网拖行；c点在高频成像和低频成像上均显示为高亮的柱状形态，且其周围没有明显的沟痕、拖痕等地貌特征，既可以判断该段为由于自然冲刷造成的裸露管道；d点在高频成像上显示为一条掩埋沟痕形态，且该沟痕由于海底的自然沉积基本已被填平，在低频成像上显示为细小线状形态，即可以判断该段为掩埋电缆。
上图某光缆探测得到的结果，该海底光缆的基本结构为聚乙烯层、聚酯树酯或沥青层、钢绞线层、铝制防水层、聚碳酸酯层、铜管或铝管、石蜡，烷烃层、光纤束等，其直径为69mm。在左图的高频信号中，没有检测到光缆目标，而右侧的低频信号则准确检测到海底光缆的目标连续记录信号，说明该电缆为埋设2m左右电缆，与事先了解的信息相一致。
利用双频合成孔径声呐技术进行海底电缆有一定的优势，主要表现在：首先，测线平行与路由走向布设，作业效率高；第二，作业船平行计划路由走向，信号记录具有连续性，能连续清晰地在现场看清海底电缆的现状位置，及海缆是否埋设或裸露；第三，双频合成孔径声呐对于水深较深区域效果明显，只要控制好入水深度，克服尾流影响，反而就能更清晰地发现海缆位置；第四，合成孔径声呐定位精度较好，在深水区如果配上水下基线定位，则定位精度可以达到亚米级；第五，双频合成孔径声呐采用高低频配置，高频信号效果比侧扫声呐果分辨率更高，因此就不需要再采用侧扫声呐扫侧作为补充。
当然，任何探测方法都有其局限性。首先，双频合成孔径声呐对船只的安装要求较高，一般需要特种工程船配合进行拖体的安装，探测成本相对较高；第二，在浅水区域，一般会考虑船只安全及船只吃水等因素，不适合采用；第三，不同海区的地层塑造不同，双频合成孔径声呐的低频信号对某些海区的反射效果尚有待进一步检验。
我们始终认为，对海洋地球物理探测来说，价格高也并不代表就一定好，这里需要说明的是，没有最好的设备，只有最合适的设备。对海底水下管线探测来说也一样，要依据水下管线的现状条件及想达成的探测目的来选择最合适于本工程的设备。
比如要探测刚刚铺设的水下管线状态，建议采用多波束水深测量和声参量阵浅地层剖面测量手段相结合；又如要探测淤埋目标的水下管线，建议采用电磁感应法探测、海洋磁力测量和合成孔径声呐探测方法；再如，想看看水下管线的裸露或架空情况，建议采用侧扫声呐扫侧、多波束水深测量和合成孔径声呐探测方法。往往，海洋地球物理探测手段得到的结果有其多解性，为资料分析能更加准确，有时需要采用多种方式组合探测，并结合已知相关资料，才能得到最优的答案。
当然，各种探测手段的作业效率与价格也是必须考量的因素，同时需要结合场区的特点来选择合适的作业手段与方法，比如要考虑水深条件、地貌成因、海洋渔业活动现状、海区背景场的复杂程度等等，最后还是那句话：只有最合适的设备，没有最好的设备。
参考资料：
1.宋永东,杨慧良,栾振东等.SES-2000浅地层剖面仪在福建LNG海底管道检测中的应用,海洋地质前沿,2020(5).
2.谢锏辉,刘书胜,崔宁等.一种探测海底电缆埋深的后调查方法,工程勘察,2018(6).
3.王方旗,宋玉鹏,董立峰等.海底管道磁异常正演与实测结果分析,武汉大学学报(信息科学版),2019(10).
4.李太春,刘维撰写的相关材料.
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