关于海底电缆埋深探测的研究

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本文探讨了海底电缆的磁场模型，通过正演计算，得到不同k值时的感应电动势-水平距离曲线，然后在实测中，利用最小二乘法将不同的k值计算的理论曲线来拟合实测曲线，在确定k值后，用不同的距离值计算的理论曲线来拟合实测曲线，这样我们就可以获得实际的海缆埋深距离。

一、概论

随着海洋资源调查和海洋开发进程的加快，海底电缆探测和识别已成为现代海洋工程测量中水下管线探测的一项重要内容，并且，一直是海洋工程测量中的一个技术难点。由于海底电缆的直径比较小（一般为50～80mm），传统的精密测深、侧扫声纳等探测手段不能对其进行探测和识别，然而海底电缆的电磁特性为应用磁力仪对其进行探测和识别提供了物理基础和技术手段。自海洋磁力仪问世以来，只要获取高精度的区域海底磁场数据，利用海底电缆产生的磁场异常特性（即海底电缆磁场模型），就可对实际地磁场异常特征进行分析判断，对海底电缆进行识别和定位。本文对磁探测海底电缆模式及方法作了尝试性的研究。

二、海底电缆模型

海底电缆埋设于海底以下3m以内，而且通有50Hz交流电流，在电缆周围就会产生一个交变电磁场，并向周围传播，利用特制的探头（使之谐振于发射频率）就可在电缆附近感应出相同频率的电压信号。由于在应用时，考虑的都是近区（即研究点与场源的距离小于1/6电磁波波长的范围），所以海底电缆一般可以认为是无限长导线.

在离海底电缆一定距离处的磁感应强度B为：

式中，μ为磁导率；I为通过海缆的电流；r为矢径；为与I成右手螺旋关系的横向单位矢量。由此可见，无限长直导线周围磁场是一个与I和r均垂直的矢量；的大小与距离r成反比。

根据电磁感应原理，线圈的感应电动势为线圈中磁通量的变化率，将和I带入得：

显然对于通有相同电流的同一海底电缆，式中k值可以看成常数，海缆周围某一点的感应电动势与该点到海缆的距离成反比。

三、通过拟合反演计算法确定k值

选择一个已知海缆路由和埋深的测点，沿垂直海缆路由方向布设一条测线，通过正演计算，则可以得到不同k值时的感应电动势～水平距离曲线。（见图1）

图1为海缆位于水平坐标0m处，埋深为2.5m时，k=1、2、4时计算的感应电动势～水平距离理论曲线。由此类推，可以计算出已知海缆深度h时k为任意值时的理论曲线。

选取某一已知海缆深度的探测点，沿垂直海缆路由方向布设一条测线，如图1，以相等的间距在不同水平距离处测量该点的感应电动势，得到一条感应电动势～水平距离曲线。采用最小二乘法，用不同的K值计算的理论曲线来拟合实测曲线

在M值最小时，即认为此时对应的K值为所求。

四、反推计算海缆埋深

已知K值，沿垂直海缆路由方向布设一条测线，通过正演计算，则可以得到任意垂直距离时的感应电动势～水平距离曲线：

图2为海缆位于水平坐标0m处，k=1时，与测线垂直距离为0.5m、1.5m、2.5m时计算的感应电动势～水平距离理论曲线。实际探测海缆埋深时，沿垂直海缆路由方向布设一条测线，如图1，以相等的间距在不同水平距离处测量该点的感应电动势，得到一条感应电动势～水平距离曲线。采用最小二乘法，在已知K值的情况下，用不同的距离值计算的理论曲线来拟合实测曲线，如公式（2），M值最小时的距离即为所求距离。

五、结束语

海底电缆磁场模型由铁磁性材料自身产生的圆柱体磁场模型和附加电流磁场模型组成，目前，海洋磁力仪的灵敏度达到0.005NT，采取合理的探测方法，可以对海底电缆进行探测识别。上述方法在实际的工程应用中可以最大化的节省探测成本。同时，在使用海洋磁力仪进行管线探测时，也有不足的地方，如在水深值小于50米时，电缆磁力异常信号明显，可以清晰的辨别出电缆的坐标位置；但当水深值大于50米时，海洋磁力仪托鱼无法下沉到有效电缆磁异常范围内，电缆磁力异常信号不明显。这个时候外业采集数据时可能就要配合多波束测量系统与管线探测仪还有侧扫声纳系统一起作业，关于这点将在以后的研究中经行探讨。

（作者单位：东华理工大学）