海底光纜是如何抵御海水腐蝕及進(jìn)行檢測維護(hù)的？
但自其誕生之日起，海底光纜就面臨著各種威脅和挑戰(zhàn)。海底光纜長期浸泡在海水中，極易受到海水腐蝕；另外也經(jīng)常遭受漁網(wǎng)、魚鉤、鐵錨等鉤抓，發(fā)生彎曲、變形甚至斷裂，導(dǎo)致海底光纜系統(tǒng)通訊阻塞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。
海底光纜的修復(fù)難度甚至高于鋪設(shè)的過程。淺海區(qū)域還可借助人工來完成檢測及簡單修復(fù)，要從深達(dá)幾百米甚至幾千米的海床上找到直徑不到10厘米的損壞光纜，就如同大海撈針。目前，對海底光纜進(jìn)行斷點(diǎn)定位和維修仍是非常困難的技術(shù)問題。
海底光纜由于長期浸泡在濃度高的海水中，所以極易受到海水腐蝕。此外，氫分子會擴(kuò)散到光纖的玻璃材料中，使光纖的損耗變大。因此海底光纜既要防止內(nèi)部產(chǎn)生氫氣，同時(shí)還要防止氫氣從外部滲入光纜。目前，海底光纜的結(jié)構(gòu)是將經(jīng)過一次或兩次涂層處理后的光纖螺旋地繞包在中心，加強(qiáng)構(gòu)件（用鋼絲制成）包在周圍。
放個(gè)海底的實(shí)物圖，更直觀：
之所以要這么多層的保護(hù)，就是因?yàn)楹５坠饫|面對的海底環(huán)境極其復(fù)雜嚴(yán)苛。首先是海水的腐蝕，海底光纜的外層聚合物層就是為了防止海水和加固鋼纜反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。即使外層真的被腐蝕，內(nèi)層的銅管、石蠟、碳酸樹脂也會防止氫氣危害到光纖。氫氣分子的滲入，會導(dǎo)致光纖傳輸衰耗增加。
除了海水腐蝕之外，海底光纜還要承受海底壓力，以及自然災(zāi)害（地震、海嘯等）、人為因素（漁民打撈作業(yè)）的重重考驗(yàn)。如果沒有加強(qiáng)鎧裝的保護(hù)，海底光纜是無法長期穩(wěn)定工作的。
但是，即便有這么嚴(yán)實(shí)的保護(hù)，海底光纜仍然不能永久使用，它的使用壽命一般來說只是25年。
海底光纜如何檢測？
海底光纜的損壞情況
通常情況下，拋錨能夠破壞海底光纜的絕緣層、電導(dǎo)體、光纖，甚至完全切斷海底光纜，進(jìn)而引起絕緣失效、電路損壞、光纖失效甚至光纜斷裂。
海底光纜的維修
首先，對損壞的海底光纜進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果，可初步確定海底光纜的狀態(tài)和大致?lián)p壞位置，制定維修方案；其次，打撈海底光纜，根據(jù)打撈方案，使用海纜敷設(shè)船在靠近斷點(diǎn)附近打撈回收海底光纜，處理斷點(diǎn)兩端，系上標(biāo)記；隨后，清掃維修段海底路由，找到合適維修和掩埋布設(shè)路由。完成上述操作后，海底光纜重新接通；打撈出水的海底光纜被連接起來，并做好絕緣處理；測試正常后，完成第一次接通。隨后，維修段運(yùn)至預(yù)期埋設(shè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)至埋設(shè)機(jī)準(zhǔn)備埋設(shè)；接著，進(jìn)行第二次接通測試；最后，使用水下機(jī)器人對海底光纜斷點(diǎn)兩端進(jìn)行測試；測試正常后，兩端托起光纜，敷設(shè)船進(jìn)行敷設(shè)施工，完成光纜維修。
在整個(gè)維修過程中，測量斷點(diǎn)位置并精確定位斷點(diǎn)位置是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。定位斷點(diǎn)包括測試斷點(diǎn)距離近岸距離和準(zhǔn)確定位斷點(diǎn)位置兩個(gè)方面。
海底光纜斷點(diǎn)位置的確定
在岸上確定光纜斷點(diǎn)的方法有多種，常用的方法包括光時(shí)域反射計(jì)測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、在線監(jiān)測法等。
光時(shí)域反射計(jì)測試法是利用瑞利散射原理，根據(jù)測試數(shù)據(jù)可判斷出斷點(diǎn)距離，并與原始記錄進(jìn)行比較，可在海圖上大致確定斷點(diǎn)的經(jīng)緯度。方便的做法是將斷點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注在海底光纜施工圖上，同時(shí)標(biāo)注相應(yīng)的打撈區(qū)域，確定打撈位置、打撈路徑及其他打撈標(biāo)志。但是，由于裸露段光纜被海水沖刷，相對施工位置有較大偏移，導(dǎo)致通過比對斷點(diǎn)距離和施工圖紙準(zhǔn)確確定斷點(diǎn)位置的可能性很小。
海底光纜的檢測方法
與此同時(shí)，海底光纜水下機(jī)器人巡檢、維修技術(shù)也得到快速發(fā)展。通過潛水員和作業(yè)船進(jìn)行海底光纜檢測、打撈的方法，逐漸被水下機(jī)器人作業(yè)取代。由于在工作深度、探測范圍、連續(xù)工作時(shí)間等方面的優(yōu)勢，水下機(jī)器人探測技術(shù)突破了深度、潛水員工作時(shí)間和環(huán)境要求、作業(yè)船低效率拖曳等瓶頸，在深水區(qū)海底光纜檢測、維護(hù)方面已完全取代潛水員和船只拖曳作業(yè)模式。
海底光纜水下機(jī)器人檢測技術(shù)
水下機(jī)器人用于海底光纜巡檢時(shí)，首先使用AUV對海纜布設(shè)區(qū)域進(jìn)行掃測，找到光纜斷點(diǎn)位置。然后使用ROV輔助打撈作業(yè)，吹除泥沙暴露光纜，使用機(jī)械手剪斷光纜，抓取光纜帶到海面。與此同時(shí)，水下機(jī)器人將無線信號收發(fā)器放置光纜斷點(diǎn)位置，以便后續(xù)維修時(shí)連接使用。通過信號收發(fā)器提供的位置，將光纜另一端打撈出水。在工作母船上，用相應(yīng)裝置連接光纜兩端，使用近端登陸站信號進(jìn)行檢測，確定光纜故障端。切除故障部分，進(jìn)行重新接通，進(jìn)行信號測試，通訊正常后，按程序進(jìn)行水下重新布設(shè)。
海底光纜無人艇檢測技術(shù)
除了使用水下機(jī)器人進(jìn)行海底光纜巡檢外，無人艇在水下管線自動(dòng)檢測方面也展現(xiàn)出極大潛能。無人艇是集成多傳感器的智能化設(shè)備，通過傳感器獲取海底管線狀態(tài)，自動(dòng)、經(jīng)濟(jì)地完成管線檢測。其體積小、質(zhì)量小、吃水淺，且無需人員隨艇作業(yè)，非常適合執(zhí)行淺水區(qū)域（如海島礁周邊、灘涂區(qū)、潮間帶等）海底光纜檢測任務(wù)。
國外發(fā)展現(xiàn)狀
國外海底光纜無人檢測機(jī)器人正快速發(fā)展，技術(shù)已較為成熟。成立于1936年的法國ECA公司，已供貨軍用和民工水下潛艇。早在1980年，公司設(shè)計(jì)了第一代無人水下自動(dòng)無人艇（ALISTAR 3000AUV），用于海底管線檢測。隨后又發(fā)展出A18TD和A18D型產(chǎn)品。工作深度覆蓋20～3000m，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)12小時(shí)，巡航速度3kn。能夠攜帶多種傳感器，如側(cè)掃聲吶、多波束測量裝置、淺地層剖面儀及其他便攜型傳感器。
A18TD工作水深20～3000m，相對第一代產(chǎn)品，續(xù)航能力提高一倍，達(dá)到24小時(shí)，巡航速度3kn，右舷可搭載右視合成孔徑聲吶、多波束測量設(shè)備、攝像機(jī)；左側(cè)可搭載左視合成孔徑聲吶、濁度計(jì)、熒光計(jì)、甲烷傳感器等。A18D工作水深5～3000m，3kn航速下可續(xù)航24小時(shí)，可搭載側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、淺地層剖面儀、前視聲吶、溫鹽深剖面儀及其它海洋環(huán)境測量傳感器。
挪威CC公司研制的HUGIN管線檢測AUV可搭載多波束聲吶（KongsbergEM2040）、側(cè)掃聲吶（EdgeTech120/410 kHz）、淺地層剖面儀（EdgeTech 1～6kHz）、高分辨率水下相機(jī)、溫鹽深剖面儀等設(shè)備。除了傳統(tǒng)傳感器，德國Ilmenau大學(xué)研制的AUV還可搭載磁場探測陣列。
休斯頓機(jī)械電子公司稱其研制的Aquanaut水下機(jī)器人是世界首款雙模機(jī)器人，具有水下變形重組能力。
通常來講，傳統(tǒng)的水下無人航行器可分為兩類：一類是魚雷型自航航行器，另一類是用于業(yè)務(wù)化測量偵察的滑翔型航行器。Aquanaut機(jī)器人兼具兩者優(yōu)勢，在執(zhí)行長航程任務(wù)時(shí)，是一個(gè)魚雷型機(jī)器人，具有長距離探測海底管線的能力，使用鋰電池時(shí)其續(xù)航能力可超過200km。
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
中國海洋大學(xué)研制的“藍(lán)鯨”海纜檢測機(jī)器人已初具能力，實(shí)現(xiàn)了精確導(dǎo)航、實(shí)時(shí)觀測、智能航行、靈活自適應(yīng)跟蹤等功能。在此基礎(chǔ)上，“藍(lán)鯨”可進(jìn)一步升級，加裝高精度設(shè)備，提高海纜檢測精度，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)檢測目標(biāo)定制針對性設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多功能擴(kuò)展。
中信重工機(jī)械股份有限公司研制的KC-ROV水下機(jī)器人，可加載聲吶探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離探測，最大作業(yè)深度300米，最遠(yuǎn)探測距離120米。
中科院研制的“遠(yuǎn)征2號”水下機(jī)器人，搭載了高低頻合成孔徑聲吶，能夠同時(shí)工作在高低頻段，比其他聲吶技術(shù)更適合海底管線探測。低頻具有一定穿透能力，能夠探測掩埋管線目標(biāo)，探測掩埋深度可達(dá)2米，具有較強(qiáng)的探測效能，探測效果如下圖所示。
長期以來，海底光纜屢遭破壞，導(dǎo)致通訊阻塞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。維護(hù)損壞的海底光纜，首先需要快速準(zhǔn)確地定位光纜損壞段，斷點(diǎn)的快速檢測和精確定位是一個(gè)重要問題。隨著水下無人技術(shù)的發(fā)展，為海底光纜檢測提供了一種有效手段，通過多平臺多傳感器的搭配使用，可逐步實(shí)現(xiàn)光纜斷點(diǎn)的三維檢測和精確定位。
在無人艇加裝高、低頻合成孔徑聲吶、多波束聲吶及其它長距離探測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)海底以上200米以內(nèi)的快速大范圍探測，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，獲取海底光纜的位置信息，引導(dǎo)AUV設(shè)備進(jìn)行抵近探測。AUV設(shè)備上搭載的探測設(shè)備，如磁探陣列、高分辨率水下相機(jī)、激光掃描儀等，探測精度較高，但探測范圍有限。在領(lǐng)受任務(wù)后，AUV航行到相關(guān)區(qū)域，在固定高度（如距底5米）進(jìn)一步獲取目標(biāo)的精確位置、尺寸、磁特征、損壞狀況等信息。因此，使用水下無人裝備開展海底纜線的智能化自動(dòng)檢測，實(shí)現(xiàn)海底纜線的高效探測、準(zhǔn)確識別，是未來的發(fā)展趨勢和應(yīng)用方向之一。
