海缆侧向冲刷与悬空长度监测方法与流程

本发明涉及一种海缆侧向冲刷与悬空长度监测方法。适用于海洋工程装备、海底电缆结构健康监测以及海洋地球物理探测技术交叉领域。

背景技术：

1、海底电缆是跨海能源传输与信息交互的重要基础设施。在海缆路由中，登陆段面临最为严峻的海洋环境挑战，由于水深较浅、波浪破碎导致能量集中，且受潮汐往复流、沿岸流及极端风暴潮等强水动力作用影响，海床极易发生剧烈的形态演变与泥沙运移，从而引发海缆的侧向冲刷。

2、侧向冲刷的物理机制在于，海流与波浪切过海缆路由时会在缆沟两侧形成涡流与尾流脱落，其高局部剪切应力会不断剥离回填土及原状海床土。当冲刷坑深度超过设计埋深，海缆护套将暴露于海水中；若底部被彻底掏空，海缆将形成水下悬空状态。悬空不仅使海缆丧失周围土体的物理保护与散热介质，更会诱发强烈的涡激振动。长期的涡激振动将加速海缆铠装层的金属疲劳及绝缘层老化，极端情况下会导致海缆疲劳断裂，造成巨大的经济损失及系统瘫痪。

3、针对上述冲刷与悬空状态，现有监测技术存在显著的物理局限性。首先，传统水下巡检高度依赖潜水员或水下机器人进行目视检查。然而，登陆段高浑浊度导致光学能见度极低，且极端天气期间无法开展巡检作业。待海况平息后，冲刷坑常被悬浮泥沙回填，导致常规周期性巡检难以捕捉真实的悬空损伤状态与最大瞬态冲刷深度。

4、其次，现有的在线监测技术亦无法完全满足工程需求。基于内置光纤的分布式声学传感对背景噪声敏感，浅海宽频噪声常掩盖海缆的异常振动信号，导致极高误报率，且无法定量测量悬空净高度。分布式温度传感则因热传导的显著滞后效应，无法实现实时预警。此外，侧扫声呐等多波束探测设备属于间歇性作业模式，缺乏极端天气下的原位实时监测能力。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种海缆侧向冲刷与悬空长度监测方法。

2、本发明所采用的技术方案是：一种海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测方法，包括：

3、s1、接收沿待监测海缆高风险路由布设的多个水下联合监测节点采集的监测数据；

4、所述监测节点包含声学测距模块、插入式电阻率探杆和ctd传感器，其中，声学测距模块倾斜指向海缆管体，用于发射声学脉冲并接收声学脉冲回波；插入式电阻率探杆竖直向下插入缆沟人工回填土体中，用于采集不同垂向深度层内的有效视电阻率数据；ctd传感器用于采集节点所在水域的ctd环境数据；

5、s2、对声学脉冲回波进行预处理，包括基于同步接收的ctd环境数据，实时动态校正声波传播速度；采用相位加权叠加技术提纯声学包络波形；

6、s3、对有效视电阻率数据进行预处理，包括基于岩石物理学阿奇定律将各深度层的有效视电阻率数据反演为对应深度的土体孔隙率数据，定量表征回填土颗粒流失程度；

7、s4、对预处理后的声学脉冲回波与电阻率数据进行特征提取，结合预设的预警判定逻辑，确定海缆当前服役状态；

8、s5、当判定为海缆完全悬空状态时，整合多个相邻监测节点预处理后的监测数据，调用三维空间插值曲面重构引擎构建冲刷坑三维形态模型，计算海缆轴向悬空总长度与最大悬空净高度；

9、s6、根据海缆服役状态与量化计算结果，生成对应级别的预警信息与可视化状态报告。

10、通过上述技术手段，实现了声学宏观几何监测与电阻率微观地质监测的跨尺度融合，解决了现有技术单一维度监测无法同时发现早期土体潜蚀和宏观悬空的局限性；通过原位实时数据采集与处理，克服了传统巡检受高浑浊度、极端天气制约的缺陷，能够在冲刷坑被泥沙回填前捕捉真实的最大瞬态损伤状态；通过多源数据时空交叉验证，显著降低了单一传感器的误报率与漏报率，实现了从隐蔽性掏空到完全悬空的全周期精准监测与定量评估。

11、作为优选方案，步骤s2中，基于同步接收的ctd环境数据，实时动态校正声波传播速度，包括：

12、将ctd环境数据代入海水声速经验模型，实时动态校正水域介质中的声波传播速度。

13、通过上述技术手段，消除了浅海区域潮汐水团交换、温度盐度时空剧烈波动导致的声速测量误差，为后续精确计算提供了可靠的声速基准。

14、作为优选方案，步骤s2中，采用相位加权叠加技术提纯声学包络波形，包括：

15、对连续采集的多个声学脉冲回波进行相位加权，增强相位稳定的目标回波，抑制相位随机的环境噪声、多径反射干扰和泥沙散射杂波。

16、通过上述技术手段，解决高含沙、强噪声环境下声学回波信噪比低的问题，能够清晰识别海缆护套或冲刷坑底反射的回波，为海缆裸露与悬空状态的准确判定提供了高质量的波形数据基础。

17、作为优选方案，步骤s3中，岩石物理学阿奇定律，包括：

18、；

19、其中，为地层电阻率，为岩性系数，为孔隙水电阻率，为孔隙率，为胶结指数。

20、通过上述技术手段，建立了电阻率与土体孔隙率之间的定量物理关系，实现了从电阻率时序数据到土体颗粒流失程度的精准反演，能够在海缆尚未暴露于海水中时，提前发现回填土内部的潜蚀掏空现象，提供早期微观预警。

21、作为优选方案，步骤s4中，预设的预警判定逻辑，包括：

22、tof声学脉冲回波平稳且全深度土层电阻率处于预设低阻基准区间，判定为正常埋设稳固期，绿灯状态；

23、tof声学脉冲回波轻微波动且中浅层土层电阻率显著升高，判定为初期潜蚀冲刷期，对应隐蔽性掏空状态，黄灯状态；

24、第一回波到达时间发生突变且浅中层土层电阻率全面升高，判定为海缆表层裸露期，对应结构暴露未悬空状态，橙灯状态；

25、声学波形出现典型双回波特征且全深度土层电阻率剧烈升高，判定为海缆完全悬空期，红灯状态。

26、通过上述技术手段，构建了四级分级预警体系，实现了海缆冲刷演变全过程的精细化划分，能够根据不同风险等级采取差异化的运维响应措施，提升了应急处置的针对性和效率，避免了过度预警或预警不足。

27、作为优选方案，步骤s5中，计算海缆轴向悬空总长度，包括：

28、基于冲刷坑三维形态模型，在数字高程模型上计算线段曲线积分，输出总轴向物理悬空长度。

29、通过上述技术手段，实现了海缆连续悬空长度的精确定量计算，为评估海缆涡激振动疲劳风险、制定科学的抢修方案提供了关键的量化数据支撑。

30、作为优选方案，步骤s5中，计算最大悬空净高度，包括：

31、；

32、其中，为最大悬空净高度，为校正后的声速，为发射声学脉冲后捕获第一回波和第二回波之间的时间差。

33、一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测方法的步骤。

34、一种海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测设备，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测方法的步骤。

35、一种海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测系统，包括：水下联合监测阵列、复合通信与供电网络和岸基主控与数据处理中心；

36、所述水下联合监测阵列沿待监测海缆高风险路由布设，包含若干个联合监测节点，每个联合监测节点包括声学测距模块、插入式电阻率探杆和ctd传感器；

37、所述声学测距模块倾斜指向海缆管体，用于发射声学脉冲并接收声学脉冲回波；

38、所述插入式电阻率探杆竖直插入缆沟人工回填土体中，用于采集不同垂向深度层内的有效视电阻率数据；

39、所述ctd传感器用于采集相对应联合监测节点所在水域的ctd环境数据；

40、所述复合通信与供电网络用于传输水下联合监测阵列采集的所有原始数据至岸基主控与数据处理中心，并为水下联合监测阵列供电；

41、所述岸基主控与数据处理中心被配置为执行所述海缆登陆段侧向冲刷与悬空长度监测方法。

42、本发明的有益效果是：本发明通过声学测距模块监测海缆宏观几何形态变化，通过电阻率探杆监测回填土微观孔隙率变化，两者相互印证、互为补充。既能够在海缆尚未暴露时提前发现内部土体潜蚀掏空，提供早期预警，又能够准确识别海缆裸露和完全悬空状态，有效消除了单一传感器的误报与漏报，将预警时间提前至冲刷发生的初始阶段。

43、本发明系统阵列贴底布设且核心探杆深插土体内，采用复合缆硬线连接，不受高浑浊度、光照条件和极端天气的影响。在风暴潮等恶劣海况下仍能以高采样率持续回传数据，准确捕获最大瞬态冲刷深度和真实的悬空状态，解决了冲刷坑自然回填导致的巡检漏检问题。

44、本发明基于沿路由布设的节点阵列，生成高分辨率的海床内部电阻率及表面形态演变剖面。通过修正的阿奇定律反演土体孔隙率，定量评估回填土流失程度；通过双回波时间差计算悬空净高度，通过三维空间插值重构冲刷坑形态并计算总悬空长度，为评判海缆疲劳跨距及后续抢修工程提供了精确的客观依据。

45、本发明通过ctd实时动态声速校正消除了温盐波动对声学测距的影响；通过相位加权叠加技术有效抑制了环境噪声、多径反射和泥沙散射干扰；通过声学与电阻率数据的交叉验证进一步排除了水下生物附着、泥沙临时堆积等非冲刷因素导致的异常，显著提升了系统的信噪比和诊断准确率。

46、本发明将海缆服役状态划分为正常埋设、初期潜蚀、表层裸露和完全悬空四个等级，对应不同的预警级别和响应措施。能够根据风险发展阶段采取差异化的运维策略，有效降低了海缆故障风险和运维成本，保障了海底电缆的长期安全稳定运行。