海洋论坛▏海底管缆电磁探测技术现状及展望

随着全球信息化和海上风电的加速发展，海底管缆在全球信息和能源传输中显得愈发重要。报告显示，目前全球海缆系统共有500多套，总长度超过140万km。海底光缆承担了99%的数据传输任务。2024—2026年投运的海缆规模将超过100亿美元，到2027年，投运的海缆规模将超过130亿美元。海底电缆工程具有铺设距离长的特点，且一旦被破坏，修复时间可长达数十天。欧洲供电商Europacable预计，直到2029年，欧洲需要在陆地和海底铺设4万km以上的HV DC电缆，才能保证欧洲整体的供电安全。由此可见，在世界范围内，海底管缆的敷设、巡检及维修已成为非常关键的技术。在海底管缆作业中，管缆位置探测是各项作业的基础。针对海底管缆探测，以远程操控水下机器人（ROV）和自主水下航行器（AUV）为载体的移动管缆探测技术是当前管缆探测的主流。

国内外开展了诸多针对海底管线移动探测的研究，主要包括视觉探测、声学探测和电磁探测等。视觉方法依赖摄像头和照明设备，受水体浑浊和视距限制，适用于近距离外观检查；声学方法（如多波束声呐法、侧扫声呐法、合成孔径声呐法和浅地层剖面法等）利用回波成像识别目标，主要用于探测海床上可见的电缆，近年来也向探测掩埋电缆的方向发展。FENG等提出了基于侧扫声呐的AUV自动电缆跟踪方法，通过侧扫声呐扫描海底，探测电缆位置。同样基于侧扫声呐，SHEN等在2025年提出零样本的轻量化电缆检测框架，通过构造仿真数据训练模型，引入注意力机制提高对细长弱目标的检测能力，降低了对训练样本数据的依赖。

声学手段在探测可见电缆方面具有较大优势，通过高分辨率的声学扫描图片，甚至可识别电缆断裂等故障。然而，声学手段在探测掩埋电缆时易受泥沙影响，探测精度较低。因此，在探测掩埋电缆位置中，电磁探测手段更为有效，电磁探测结合高度计可较为精确地探测电缆的掩埋深度。相比之下，电磁探测基于电磁感应原理，通过线圈/线圈阵列测量导体电流产生的磁场，或管缆在外加激励下激发的二次电磁场，进而反演管线相对位置和覆土深度，具有距离远、效率高、对浑浊不敏感等优势，因此在长距离管线探测中应用广泛。目前市场上典型的工程化设备包括TeledyneTSS（HydroPACT）、SMD Artemis、Innovatum SMARTRAK、Megger Magtrack等，其工作模式通常分为被动、加音（Tone）和主动3类，见表1。其中，被动模式利用通电电缆的工频/谐波电流磁场进行跟踪；Tone模式通过音频注入“点亮”目标，实现对未带电管道与电缆的探测；主动模式则利用探测器自带的电磁场发生装置发射电磁场，在管线上激发电磁场，从而使管线可被探测到。

总体来看，电磁探测适用于长时间、长距离的海底管线巡检与复测。在被动、Tone与主动3类基本工作模式基础上，相关研究进一步扩展到高精度定位与埋深估计、异常/破损辅助判识、路由复测与施工质量评估等任务。围绕“埋深与路由结果更准、更稳、更自动”的目标，如何提升电磁探测的定位精度与抗干扰能力，如何完成管缆破损检测等复杂作业，仍是当前与未来重要的研究方向。本文对现有主流的水下电磁探测关键技术进行总结，对电磁探测技术的基本原理及发展状况进行介绍，并对各技术在海底系统中存在的关键问题和技术难点进行分析。在此基础上，对电磁探测技术的未来发展方向进行展望。

表1 探测模式

电磁探测的基本原理：导体中交变电流在周围空间产生交变磁场，磁场经过线圈时，线圈在磁通量变化作用下产生感应电动势，通过对目标频率处的幅值/相位信息进行提取与比较，即可实现目标检出与定位。由于磁场形态对电缆绝缘层及部分土壤介质变化不敏感，该方法在浑浊海水与覆土环境下仍具有较好的适用性。基于这一原理，可使用三轴线圈定位通电电缆，该方法称为被动探测。在被动探测的基础上，又衍生出Tone模式及主动探测。

⒈被动探测

被动探测采取双探测器模式，其探测器由感应线圈或三轴线圈阵列构成，对电缆电流产生的磁场进行窄带测量。探测器线圈会受到交变电磁场的影响，在线圈内部产生感应电动势，计算式见式（1）。

式中：V为感应电动势；n为线圈匝数；B为磁感应强度；A为线圈有效面积；t为时间；φ为磁通量。

被动探测方法又称到达角（AoA）方法，当线圈与电缆平行时，线圈感应电压为零；当线圈与电缆垂直时，线圈感应电压最大；当磁线圈与电缆呈一定夹角时，线圈感应电流介于最大值与最小值之间。同时，采用2个相互垂直的线圈同时探测电缆，可通过测量值的比值计算出线圈与电缆的夹角。AoA测角原理（双正交线圈）示意见图1。

在实际工作中，通常采用2组线圈进行埋深探测。由于探头间距已设定，因此可根据线圈测量值计算的夹角及几何关系，求解出海缆相对线圈的空间距离。通常，ROV还会携带高度计，结合高度计即可计算出海缆的埋深数据。被动探测模式依赖于电缆中电流产生的磁场，针对不带电的管线，则需要通过Tone模式或主动模式进行探测。

图1 AoA测角原理（双正交线圈）示意

⒉Tone探测和主动探测

Tone模式的原理是在电缆上施加有源电流。通常采用电流发生装置，向管线施加16Hz～25Hz的电流信号，使管线上产生可被探测器探测的交变磁场。由于该模式以“已知频率”为特征标识，具有较强的抗干扰性，因此被广泛用于海底电缆路由复测、铺设验收和埋深验证等任务。然而，该方法存在一定的局限性，在存在破损管线或未形成回路的情况下，施加的信号可能无法有效传导。因此，工业界提出了主动探测模式。该模式通过水下载体搭载的信号发生器发射交流磁场，激发管线产生交变磁场，进而实现探测。主动探测模式分为2种，即一体化主动模式和分布式主动模式，分别以TSS 440探测设备和Artemis探测设备为代表。

TSS 440设备采用脉冲感应（PI）实现海底管线探测。其基本思想：在每个测量周期内，对探测线圈施加短时驱动脉冲，使线圈电流快速建立并形成瞬态磁场，见图2。当脉冲消失时，线圈磁场迅速塌缩，在邻近导电体内产生涡流。涡流会向外界发射随时间衰减的二次磁场，此时线圈上已经没有脉冲，线圈会因二次磁场产生感应电动势，通过计算该电动势可确定目标的位置和深度。由于TSS 440设备的探测线圈和脉冲发生器是一体的，使得脉冲发生和探测无法同时工作，因此存在一定的探测周期。

图2 电磁脉冲法示意

Artemis设备的主动探测模式与TSS 440设备不同，采用磁场激发装置与探测器分开的分布式主动模式，见图3。Artemis设备的探测器安装于ROV前方，并在ROV尾部搭载天线，将其作为磁场激发装置。天线持续向目标施加3kHz的高频交变磁场，目标导体在一定距离内会产生感应电流，并向外发射相同频率的交变磁场，从而被ROV前端的探测器探测到，该模式即分布式主动模式。该模式下，探测器可专门对天线发射的磁场进行窄带锁定，并且通过算法设置屏蔽目标电缆以外其他方向的电磁场，实现更加精确的电缆探测。当目标电缆/管线无法从端点注入Tone或处于无电/断缆等工况时，分布式主动模式可有效探测电缆位置。

图3 分布式主动模式示意

分布式主动模式相较于一体化主动模式，优势在于发射器和探测器可以同时工作，实现实时不间断探测，且发射器发射的磁场能量更高。同时，由于探测器可以通过频率和方向锁定目标磁场，因此抗干扰能力更强，更容易探测到目标。但是，Artemis设备的主动模式对探测目标的要求更高，而TSS 440设备的脉冲触发原理对导体尺寸更敏感，因此TSS 440设备的适用目标范围更广，即便针对较短的电缆也能实现有效探测。不同设备的探测效果对比情况见表2，总体而言，Artemis设备的探测效果优于TSS设备。在各种模式尤其是主动模式下，Artemis设备的探测距离比TSS 440/350设备和Innovatum设备大30%以上。因此，Artemis更容易探测到埋藏更深的目标。

表2 不同设备探测效果对比

根据电磁探测原理，上海中车艾森迪海洋装备有限公司与中车株洲电力机车研究所有限公司正在联合开发国产海缆探测仪，目前已完成线圈感应磁场的原理验证，通过谨慎选用线圈，完成了放大器和滤波器等器件的设计，并在实验室平台完成了测试。

测试中，以25Hz频率的交变电流作为目标导体的基波，通过线圈探测其发出的电磁场，并使用快速傅里叶变换（FFT）对采集的信号进行分析。Artemis设备开发情况见图4。由图4可知，FFT采集的信号中虽然包含一定的谐波分量，但是25Hz的信号占比最大。线圈在1m范围内可以探测到目标导体，且线圈内的感应电压随着线圈与目标导体距离的增大而衰减。试验成功验证了电磁感应探测的可行性，为未来国产电磁探测设备研发提供了成功经验。

图4 Artemis设备开发情况

海底管线探测任务通常以ROV和AUV为作业载体。水下机器人搭载声学或电磁探测设备，可沿管线铺设路径长距离实施探测。声学手段在水下环境中穿透性好、作用范围广、分辨率高，且不需要管线带电；电磁探测手段定位更精确，且受海底土壤干扰较小。目前，移动探测技术仍以电磁探测手段为主。本文系统梳理了国内外移动探测技术的应用情况和研究热点，并从“更准”和“更深”等角度阐述了电磁探测技术的研究现状。

⒈高精度电磁移动探测技术

目前，电磁探测技术研究热点之一是如何提高电磁探测精度，见图5。

图5 高精度探测技术

部分文献从探测原理入手，通过对探测场景进行数学建模，从探测机理上提高精度。如，为了模拟三相电缆，CHEN等建立了3根平行的水下电缆模型，采用梯度测量方法消除相位差带来的影响，实现更加精准的电缆探测。HUANG等为解决此问题，考虑海底环境和三芯电缆结构，建立了描述电缆外部磁场的近似方程，并采用甲虫群优化算法解析探测数据，确定电缆的位置。CHEN等利用钢管附近总磁通密度的分布特性估计管道轴线位置与方向，定位误差约为2cm。MOSSEL对电磁响应的前向建模进行研究，基于麦克斯韦方程建立了满足一维分层介质边界条件的模型，陆地测试表明，该模型能够根据在2%～15%的精度范围内模拟电缆。李慧等基于上覆海水对感应电压的影响及剖面图理论，完成了海底模型实验及输油管线探测实验，准确探测海底异常及输油管线位置及深度。YE等指出，基于IEC 60287标准的稳态热电路模型应用在海底电缆探测时，还有部分参数不明确。因此，YE等采用遗传算法（GA）优化交流海底电缆稳态热电路模型的参数，提高了探测电缆的准确度。

部分研究采用通用探测框架，通过算法优化处理得到的探测数据，使得电缆探测数据误差更小，结果更精确。SZYROWSKI提出一种基于粒子滤波的新型有效算法，采集完整的海缆样本，并以样本批次优化模型，与卡尔曼滤波相比，该算法可在更远距离估计电缆位置。LIU等提出一种包含双曲切线（tanh）函数的滑动模式控制方案，在控制中引入跟踪微分器，以解决差分振动带来的信号噪声问题，并通过整合tanh函数设计了自适应扰动补偿SMC-tanh控制器，提升了算法的稳健性并降低保守性。

也有研究从硬件架构上做出改进，设法减小探测误差，结合算法优化进一步得到更精确的结果。YU等提出一种基于运动控制和算法创新的2层框架。首先，设计了一种稳定的运动控制器，使AUV在洋流干扰下仍能准确追踪电缆；其次，为磁力计设计了一种抗噪声的算法，能够有效降低噪声。两者结合使AUV在传感器噪声和洋流干扰下准确跟踪海底电缆。LI等采用双三轴磁通门传感器阵列方案，基于交流磁场法，构建了适用于传感器阵列的海缆定位模型，推算海缆相对阵列中心的位置偏移，并协同实现磁信号的转换、采集、传输和处理，准确定位海缆。

还有研究探索电磁探测技术的极限探测能力。HE等推导了海洋环境中磁场传输特性的理论计算模型，分析了磁场在海水中的衰减规则，模拟结果表明该模型能够探测和识别距离超过1km的电缆。SZYROWSKI等探讨了电磁探测电缆的极限，研究了探测范围及探测距离超过100m的场景，使用经典被动探测模块在普利茅斯胡湖真实环境中进行试验，结果显示海水中探测距离可达约140m。

因此，如何提高电磁探测的精度和极限还有待进一步研究。无论是探测精度还是探测距离都可通过硬件与算法优化提升。针对影响海底管缆电磁探测的诸多因素，通过场景数学建模可筛选关键因素；同时，通过算法过滤及硬件改进减少噪声，均为未来提升电磁探测性能的重要方向。

⒉电磁移动探测应用

电磁探测的另一个研究热点是如何使电磁探测承担更复杂的任务，如电缆路由和故障电缆探测等。ZHANG等以AUV为平台搭载电磁探测器，采用粒子群优化算法优化线缆位置数据，根据优化结果进行路径规划。ZHANG等将水下电缆定位方法与磁导与控制算法相集成，提出一种新的解析公式，用于计算电缆的航向偏差、水平偏移和埋地深度，使AUV在偏离电缆路径时可以自动调整方向，实现在无人操控下的长距离电缆探测。

针对故障探测，李雷等采用TSS探缆装置，结合特定的扫描路径计划，提出一种寻找电缆故障位置的探测方法。也有研究聚焦直流电流探测，由于直流电缆没有交变磁场，且通电状态下无法注入Tone，HUANG等提出一种能够直接检测500kV超高压直流电流的方法，设计了新型电磁感应线圈和集电器，能够直接识别500kV电压下的强电磁场信号，避免任何饱和失真。利用该装置，可在电缆不断电的情况下检测电缆的埋地深度，并注入额外的Tone。

综上所述，相关研究结合移动探测长距离作业的核心优势，将电磁探测的应用场景扩展至电缆路由跟踪、故障电缆探测等更复杂场景，对水下实际工程应用起到促进作用，可提高海底管缆施工与运维能力。

电磁探测在海底管线探测中具有高灵活性、长距离探测、性能稳定等优势，因此成为海底管线探测的首选。通过和其他传感器、人工智能方法、控制策略等相结合，电磁探测（尤其是基于ROV或AUV的电磁探测）可承担更多、更复杂的任务。未来在复杂环境中承担复杂的探测任务及智能化、自动化是这类电磁探测技术的发展方向。

⒈综合探测

电磁探测器与光学、声学探测器相结合，可弥补电磁探测无法直观电缆状态的缺陷。综合探测采集的多模态数据，能够从多维度反映电缆的状态，是未来移动探测发展的方向。INZARTSEV研究了基于电磁和视频数据的设备描述、数据处理及AUV运动控制，结合自主开发的视频系统和电磁系统，综合分析2个子系统得到的数据集，提高了AUV的探测质量。WUNDERLICH将三维声呐和磁感应阵列相结合，利用三维声呐生成周围海床的地形数据，使用磁感应阵列获得电缆的位置信息，2种数据融合后实现了更准确的电缆位置及埋深信息探测。JACOBI等提出一种利用多传感器信息（包括摄像头、多波束回声探测仪、底下剖面仪和磁性传感器信息）引导自主水下载具的方法，采用适用于水下管缆检测的传感器融合与跟踪算法，基于概率图模型对每个数据集中的各传感器位置进行评级，综合得出每一时刻电缆最准确的位置。HUANG等提出一种基于磁力计和加速度计的海底管道三维定位方法，磁力计和加速度计封装成球形探测器，利用球形探测器同步测量磁场和加速度数据解析管道位置，无需额外辅助设备即可提高电缆定位准确度。

综上所述，光学及声学传感器可以弥补电磁探测在可视化方面的不足，采用综合探测方式更易实现管缆路由及管缆破损探测。因此，综合探测是未来管缆探测技术的关键发展方向。

⒉智能化

人工智能与机器人技术的结合可以使机器人的作业能力大幅提升。在管缆探测领域，智能化发展包括结合智能算法提高监测过程的自动化水平，以及使用智能算法处理数据使定位结果更准确，均为未来研究热点。XIANG等提出一种基于配备电磁系统的AUV智能检测方案，实现海底电缆的同步电磁定位和自主跟踪，AUV搭载的双三轴电磁阵列获取电缆位置数据后，通过自适应神经网络过滤数据噪声，建立复杂洋流干扰下的约束，再将定位结果用于AUV跟踪制导设计，实现自主跟踪。ZHANG等聚焦于一种基于AUV的探测系统，该系统通过电磁定位信号追踪海底电缆的路径，并应用神经网络对AUV运动参数进行优化，使得运动更加精准。HUANG等基于比例-积分-微分（PID）算法和模糊控制理论，利用ROV的自动深度、自动姿态、自动俯仰、自动航向、自动定位等自动功能，结合探测到的电缆路径，实现自动电缆跟踪。

HUANG等引入磁通密度，考虑装甲和铅护套的影响，提出三芯海底电缆的近似分布模型，并基于该模型，设计了一种基于改进版甲虫粒子群优化（BPSO）算法的智能定位方法，该方法在电流波动和各种干扰下仍能保持良好的定位精度。SHU等提出一种结合多信号分类（MUSIC）与深度学习模型的海底电缆故障被动声定位方法。首先，在消声槽中采集电缆击穿声信号并构建数据库，用于训练深度学习模型YOLOv3；其次，结合MUSIC算法，采用六元均匀圆形阵列（UCA-6）成功检测出击穿声信号的方向，定位误差小于2。ZHANG等提出一种新型探测离散电缆位置和埋藏深度的方法，基于搭载三轴电磁传感器的AUV捕捉海底交流电缆辐射的磁信号，再利用基于粒子群优化（PSO）算法和电磁信号序列构建新的框架，定位电缆位置。

由此可见，智能化的优势在于可利用大样本数据进行预训练，提高算法辨识能力并过滤噪声；同时，在控制层面应用智能化方案，结合探测数据可更有效地控制水下载体的探缆路径，提高探测精度。总之，智能化也是未来电磁探测技术的重要发展方向。

海底管缆系统在全球能源通信中占据重要地位，因此海底管缆的电磁探测技术成为海底管缆施工、维修领域至关重要的技术。海底管缆电磁探测技术主要以ROV/AUV为载体，实现长距离、长时间的移动电磁探测，目前国内外已开展大量相关研究。本文总结了国内外关于移动电磁技术方面的文献，当前研究多从探测原理出发，明确探测中的关键技术节点，研究如何提高探测精度和极限，即通过系统或算法创新，提高探测数据准确度或消除环境噪声。同时，本文研究了移动电磁探测的工程应用，如电缆故障探测、电缆路由跟踪等。可见，移动电磁探测在研究及工程上仍有很大的研究前景。

本文指出了海底管缆探测系统未来将主要向智能化及综合探测方向发展。智能化可以提高海底管缆的探测效率，将路由跟踪和智能化相结合，实现自动管缆探测，是未来研究的一大热点。同时，光学和声学探测技术能有效弥补电磁探测无法直观目标图像的缺陷，因此结合光学、声学传感器的移动电磁探测技术，未来有望承担更多、更复杂的管缆探测任务。综上所述，未来海底管缆电磁探测技术将会有长足的发展，提高探测精度、提高智能化水平及发展综合探测技术将成为未来研究重点。本文的归纳与讨论可为后续研究提供参考。

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