近年来，国内海上风电产业快速发展，海上风电进入建设高峰期，以广东省为例，到2030年，建成投产海上风电装机容量将达到3000万kW。海底电缆是海上风电场传输电能的重要组成部分，它的安全运行关系到海上风电电力系统，对海上风电产业的发展起着至关重要的作用。冀大雄等从宏观层面的检测手段和微观层面的检测技术2个角度，对国内外海底电缆检测方法的发展现状进行归纳和分析，梳理了目前海底电缆检测方法存在的问题，指出了未来发展趋势。当前，海底电缆的检测和监测工作多集中于敷设施工投产后的运行阶段，但作为海上风电建设关键环节的海底电缆敷设施工，目前国内缺乏相应的质量检测和验收规范。本文主要研究在海底电缆施工过程中，综合采用侧扫声呐、多波束测深仪、浅地层剖面仪等声学检测手段对敷设质量进行施工后埋深及路径检测，在投运前及时消除存在的缺陷和隐患，降低后期运维成本，为海上风电场安全运营提供保障。
一、检测技术方法
海底电缆路径及埋深检测，主要采用3种技术手段：多波束系统扫测、侧扫声呐扫测、浅地层剖面探测，3种检测方法各有优缺点，相互间能很好地起到弥补、佐证作用，为分析敷设后的海底电缆埋深及路径时提供了充分数据依据，避免了分析片面而产生错误的结论。3种检测方法的优缺点对比见表1所列。
表1 各种检测方法优缺点
根据各种技术的优缺点，综合采用以上手段，可以有效地检测整条海底电缆的敷设质量。有冲埋痕迹、裸露、悬空的海底电缆路由，可用多波束仪准确定位海底电缆路径；对于裸露、悬空的海底电缆，可用侧扫声呐确定位置及悬空高度；对于有泥沙覆盖的海底电缆，浅地层剖面可以探测到覆盖层厚度，多波束系统可以扫测敷设过程中的电缆沟深度，两者相加即为最终的电缆理论埋深。3种技术手段相辅相成，在海底电缆敷设检测过程中综合获取数据，确保全面、合理分析海底电缆敷设施工质量。
⒈多波束系统
多波束系统包括3个子系统：①多波束声学子系统，包括多波束发射、接收换能器阵、多波束信号控制处理电子柜；②波束空间位置传感器子系统，包括电罗经、运动传感器、卫星定位系统、表面声速计、SVP声速剖面仪。③数据采集、处理子系统，包括多波束实时采集、后处理计算机及相关软件和数据显示、输出、储存设备。系统组成如图1所示。
图1 多波束系统组成
多波束探头的发射单元每秒可以发射将近20～50次脉冲，每次生成512个波束，一秒内可获得25600个水深点，点间距接近0.01m，生成高精度的水下三维地形图能很好地分析海底电缆裸露、敷设痕迹等信息。如图2所示为多波束系统扫测的电缆沟深度及裸露的海底电缆。
图2 多波束系统扫测的电缆沟及裸露的海底电缆
⒉侧扫声呐
侧扫声呐是利用回声探测原理探测海底地貌和水下物体的设备。侧扫声呐换能器阵在走航时向两侧下方发射扇形波束的声脉冲，并接收海底表面或水下物体对入射声波的反向散射信号来探测海底地貌和水下物体。侧扫声呐工作原理如图3所示。
图3 侧扫声呐作业示意图
侧扫声呐在海底电缆敷设检测中可根据声像清晰地辨识裸露及悬空的海底电缆。在侧扫声呐图像中，裸露海底的海底电缆比较容易探测和识别。对于平坦海底面上的海底电缆，依据声呐记录上的海底电缆声影区与海底电缆影像尺寸和悬空段产生的遮挡阴影，能够计算出管道的裸露或悬跨高度。当海底电缆平铺于海底面时，突出的海底电缆由于较强的散射在声呐图像上呈明显的亮条状，由于电缆的遮挡，电缆后方在声图上形成阴影区。对于悬空海底电缆，其下方的海底面也能够对声呐信号进行散射，但由于其反射信号晚于海底电缆反射信号到达声呐接收端，形成的声像位于海底电缆亮条的后方，这样海底电缆遮挡形成的声影区与电缆声像会间隔一定距离。裸露及悬空海底电缆侧扫影像如图4所示。
图4 测扫声呐扫测的裸露及悬空海底电缆
⒊浅地层剖面仪
浅地层剖面探测是一种基于水声学原理的连续走航式探测海底浅部地层结构和构造的地球物理方法。它利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性及规律对海底沉积物结构和构造进行连续探测，从而获得较为直观的海底浅部地层结构剖面。浅地层剖面仪工作原理如图5所示。
图5 浅地层剖面仪工作原理
浅地层剖面仪辨识并确定海底电缆埋深的方法是：当海底电缆敷设于海底泥面以下时，由于其结构和周围介质的性质相差很大，探测时浅剖仪在海底电缆上方正交经过，海底电缆在断面图上表现为单独的抛物线形状。当沿海底电缆路由方向迂回测量后，在断面图上找到每个抛物线顶点并连线，生成的折线即为敷设的海底电缆路由。根据浅地层剖面断面图，量取抛物线顶点与海床面的高差值，此高差值与多波束系统测量所得电缆沟深度之和即为海底电缆的相对埋深。如图6所示为浅地层剖面仪探测所得的2种形态的海底电缆。
图6 浅地层剖面法探测的裸露海底电缆及有埋深的海底电缆
二、工程应用实例
粤东某海上风电输出海底电缆采用2回3×1000+2×48C芯光电复合220kV电缆，直径为262.9mm，由海上升压站输送到陆上集控中心，设计路由长度为31.5km。海底电缆路由敷设区域海底地形较平缓，大部分区域水深介于4～18m。
海底电缆敷设作业采取敷埋同步方式，通过操作控制敷设犁具犁把的深度，使犁具头部嵌入泥土中，用高压水枪对海底周围的泥沙进行冲刷形成海底电缆沟槽，电缆通过犁槽输送到电缆沟槽中，船舶沿设计路径缓慢移动航行，完成海底电缆的敷设工作。为检测海底电缆敷设施工质量，采用包括多波束系统扫测法、侧扫声纳扫测法、浅地层剖面探测法，对敷设的海底电缆进行埋深及路由检测。投入设备及精度指标见表2所列。
表2 使用的主要设备及精度指标
测线布设：多波束及侧扫声呐扫测测线沿海底电缆路由布设，在路由左右两侧10m、25m布设平行测线；浅地层剖面仪探测测线垂直设计的海底电缆路由布设，路由往两侧各延伸50m，按25m的间隔布设平行测线。
⒈海底电缆路径的确定
采用多波束系统确定海底电缆路径。3种检测方式中，定位精度最高的为多波束系统，采用PPK后处理差分模式解算定位，平面精度可达8mm，多波束点云数据十分密集，生成的0.01m×0.01m格网三维模型，可以很好地分辨出海底电缆的敷设痕迹。根据检测数据分析，海底电缆敷设痕迹只要有1cm以上的高度差异，
且为连续状态，多波束系统即可高效准确地判断海底电缆敷设痕迹。本项目检测工作是在海底电缆敷设后马上开展，大部分海缆敷设过程中冲刷的痕迹还未回填，在工程实践中对海底电缆路径实现了高速有效的判读识别和定位。多波束所扫侧出的海底电缆敷设电缆沟如图7所示。
图7 多波束系统扫测的海底电缆沟痕迹
⒉海底电缆埋深的探测
海底电缆敷设后，在埋深上主要表现出4种状态；①有覆盖物掩埋；②电缆沟未回填造成的裸露；③一部分高于海床面，一部分位于电缆沟内；④裸露于海床面上。针对上述4种海底电缆形态敷设后的海底电缆埋深值，采用3种探测技术方法综合分析。
⑴对于有覆盖物掩埋的海底电缆，采用浅地层剖面法分析海底电缆覆盖物的厚度，获得埋深数据，然后采用多波束扫测数据分析电缆敷设痕迹的深度，2种技术方法确定的数据相加，即为最终的海底电缆埋深。
⑵裸露但有冲刷深度的海底电缆，裸露于冲犁电缆沟槽中或海床面的海底电缆，采用多波束系统可以精确量算出电缆最终理论埋深数据。如图8所示为4种敷设状态的海底电缆。
图8 4种形态的海底电缆
⒊悬空海底电缆的确定
裸露且与海底面不接触的电缆定义为悬空海底电缆，这种状态的海底电缆采用侧扫声呐法、多波束系统相互判断和分析。根据侧扫声呐法成像原理可知，海底电缆悬空于海底面，侧扫声呐法扫测的悬空海底电缆会在声波到达地物的另一面产生阴影，通过量算阴影的长度，可以计算分析出海底电缆相对海底面悬空的高度，本项目侧扫声呐法可以分辨出悬空为约0.1m的海底电缆信息，悬空海缆如图9所示。
图9 悬空高度约为0.1m的海底电缆
本工程的海底电缆敷设施工检测中，共完成多波束系统扫测测线261km，侧扫声呐法扫测测线318km，浅地层剖面探测测线261km。
利用3种检测技术高速有效地确定了海底电缆敷设路径，检测结果表明，敷设路径与设计路径偏离值均在10m以内，符合海底电缆输电工程施工及验收规范的要求。3种检测方法综合检测快速判定敷设施工过程中的裸露、悬空等异常情况，反馈给项目各相关方及时消缺，达到了优质工程建设的目的。
三、结语
综合采用多波束系统扫测法、侧扫声纳扫测法、浅地层剖面探测法对海上风电海底电缆敷设进行跟随式检测，能在工程施工阶段快速、准确地对敷设质量进行判定，及时发现施工缺陷与隐患，为投运前精确消缺提供数据支撑。目前，工程应用案例的海上风电工程已一次性成功并网送电，证明3种检测方法综合应用对海底电缆敷设时的质量控制是行之有效的。当前国内海上风电建设已进入高潮期，声学检测作为一种成熟、可靠的质量检测手段，将在海上风电工程建设质量控制中得到更广泛应用。
