0 引言

    城市地下排水管網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)是“十三五”時(shí)期新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中的重大工程，是“海綿城市”建設(shè)的重要組成部分^[1]。排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市的“排泄系統(tǒng)”，擔(dān)負(fù)著城市居民生活污水、工業(yè)廢水、雨水等液體的收集、輸送和處理功能。一旦排水管道出現(xiàn)破損裂縫、塌陷、泥沙堵塞等病癥問(wèn)題，必然會(huì)導(dǎo)致排水管道經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi)的水生態(tài)系統(tǒng)被破壞、土壤被污染、城市內(nèi)澇等嚴(yán)重后果^[2]。

    排水管道檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)出管道的病癥，保證相關(guān)部門能及時(shí)維修受損的管道。目前排水管道檢測(cè)系統(tǒng)主要有3種：管道閉路電視檢測(cè)系統(tǒng)(Closed-Circuit Television，CCTV)、潛望鏡檢測(cè)系統(tǒng)和聲納檢測(cè)系統(tǒng)。CCTV檢測(cè)是使用最久的檢測(cè)方法之一，在歐美有30多年的使用歷史，其主要采用視頻技術(shù)，利用檢測(cè)小車在管道中移動(dòng)并記錄管道內(nèi)壁視頻，由技術(shù)人員對(duì)錄像進(jìn)行分析，從而評(píng)估管道的狀況^[3]。CCTV技術(shù)雖然成熟，但實(shí)際操作非常復(fù)雜。在CCTV檢測(cè)前需對(duì)管道進(jìn)行封堵、吸淤泥、清洗、抽水等預(yù)處理，并且受天氣影響大，如雨天不能施工，檢測(cè)成本高。聲納成像技術(shù)是近幾年興起的管道檢測(cè)技術(shù)等，其施工前不需要對(duì)排水管道做任何預(yù)處理，聲納裝置在管道中行進(jìn)一遍就可實(shí)時(shí)顯示管道狀況，下雨天也可正常施工，具有檢測(cè)簡(jiǎn)單、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)使用的管道聲納檢測(cè)儀器全部采用進(jìn)口設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排水管道聲納成像檢測(cè)儀器的國(guó)產(chǎn)化。

1 排水管道聲納成像技術(shù)原理

    排水管道聲納成像技術(shù)的工作原理是以脈沖反射波為基礎(chǔ)的^[4]。儀器內(nèi)部裝有步進(jìn)電機(jī)和聲納聚焦換能器，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)換能器在排水管道中繞自身360°旋轉(zhuǎn)并連續(xù)發(fā)射聲納信號(hào)，反射信號(hào)的傳播時(shí)間和幅度被測(cè)量并記錄下來(lái)顯示成管道截面圖，通過(guò)觀測(cè)管道截面圖的完整性檢測(cè)出病癥管道。

    換能器與管壁之間的距離可由反射信號(hào)的傳播時(shí)間計(jì)算得到^[5，6]。計(jì)算公式如下：

其中：v是聲納在污水中的傳播速度，檢測(cè)前從被檢管道中取水樣裝入已知尺寸的容器中實(shí)測(cè)得到；t是反射信號(hào)的傳播時(shí)間；d是換能器與管壁之間的距離。

    反射波幅度可以反應(yīng)管道壁的各種性質(zhì)^[5-6]。反射波能量的大小可以利用反射系數(shù)R來(lái)表示，反射系數(shù)的表達(dá)式如下：

其中：ρ₁、v₁分別是管道內(nèi)污水的密度和聲波速度，ρ₂、v₂分別是排水管道管壁的密度和聲波速度，其兩者乘積?籽v叫作聲阻抗，反應(yīng)管道的聲學(xué)特性。

2 排水管道聲納成像檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    排水管道聲納成像系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由主控制器（帶專用采集軟件）、探頭（又稱水下單元，自帶漂浮裝置）和電纜盤三部分組成^[7-9]。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成以及模擬作業(yè)圖如圖1所示。

2.2 主控制器設(shè)計(jì)

    主控制器是系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)USB接口接收計(jì)算機(jī)的控制命令[10]，按照協(xié)議格式編碼組成“命令包”發(fā)送給探頭。主控制器接收探頭通過(guò)長(zhǎng)距離電纜線傳輸上來(lái)的“數(shù)據(jù)包”，數(shù)據(jù)包中包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，經(jīng)模擬開關(guān)電路判別后，數(shù)字信號(hào)在CPLD芯片XC95144XL中按照協(xié)議格式解碼，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7760轉(zhuǎn)換, 數(shù)據(jù)經(jīng)存儲(chǔ)器IS61WV25616AL緩沖后傳輸給微控制器，通過(guò)專用算法分析數(shù)據(jù)，剔除干擾雜波，得到有用數(shù)據(jù)，最后通過(guò)USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)顯示。圖2是主控制器數(shù)據(jù)采集及控制電路框圖。

    排水管道聲納回波信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇^[11]，并且隨著管道管徑大小的不同或管壁腐蝕破損程度的不同，回波信號(hào)的幅度差別很大，從微伏級(jí)到伏級(jí)，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度、精度以及動(dòng)態(tài)范圍都有較高的要求。本系統(tǒng)采用一款2.5 MHz數(shù)據(jù)輸出、24 bit高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7760，其硬件電路原理圖如圖3所示。

2.3 探頭設(shè)計(jì)

    探頭是整個(gè)系統(tǒng)的傳感器集合體，包括聲納傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、姿態(tài)傳感器等。探頭接收到主控制器發(fā)送來(lái)的“命令包”后，按照協(xié)議格式解碼執(zhí)行命令，然后將采集到的數(shù)據(jù)(包括聲納信號(hào)、溫度值、電壓值、傾角值、轉(zhuǎn)角值等編碼)組成“數(shù)據(jù)包”后發(fā)送給主控制器。圖4是探頭數(shù)據(jù)采集及信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路框圖。

    排水管道聲納成像系統(tǒng)中聲納回波信號(hào)的質(zhì)量除了與換能器的固有特性有關(guān)外，主要取決于聲納換能器的激發(fā)電路和接收電路。圖5是聲納換能器大功率高壓激發(fā)電路原理圖，此電路在變壓器次級(jí)產(chǎn)生峰值600 V的高壓脈沖。圖6是聲納換能器接收電路中壓控增益放大器AD603的電路原理圖，接頭J7連接儀器面板上的10 kΩ電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，信號(hào)增益在0 dB～40 dB之間變化，D5～D8 4個(gè)二極管IN4148使AD603的輸入限幅在-1.4 V～+1.4 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一是在室內(nèi)利用模擬管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在已知模擬管道直徑和缺陷點(diǎn)位置的情況下，驗(yàn)證采集的聲納回波信號(hào)是否能真實(shí)反應(yīng)模擬管道缺陷的實(shí)際情況，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性；二是在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)排水管道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證各項(xiàng)性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)在野外惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。圖7是排水管道聲納成像系統(tǒng)實(shí)物圖，左邊是主控制器，右邊是電纜線，前邊是探頭以及漂浮裝置，電纜線一邊連接主控制器，另一邊連接探頭。

    模擬管道采用一個(gè)在內(nèi)壁周圍涂滿混凝土的圓形塑料桶制作而成，實(shí)測(cè)直徑238 mm。將探頭置于塑料桶中，聲納波對(duì)塑料桶內(nèi)壁連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描，步進(jìn)角0.9°，每圓周掃描400次，根據(jù)聲納回波信號(hào)的傳播時(shí)間和幅度繪制成圖，圖像清晰反應(yīng)塑料桶的內(nèi)壁狀況，并且能準(zhǔn)確定位和標(biāo)示出人為缺陷。圖8顯示出了放入桶中的4根手指，圖9顯示出了放入桶中的塑料擋板。塑料桶直徑以及各種缺陷的實(shí)際尺寸和測(cè)試尺寸對(duì)比結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差率低，精度能滿足實(shí)際應(yīng)用。

    排水管道聲納成像系統(tǒng)多次在現(xiàn)場(chǎng)排水管道中進(jìn)行工程檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖10是湖南常德市排水管道淤泥普查項(xiàng)目中的一個(gè)聲納成像圖，排水管道直徑800 mm，淤泥厚度122 mm，管道15%截面積被堵塞，達(dá)到了清淤要求，并且從圖中觀察到了管道中存在大量懸浮物。排水管道直徑的測(cè)試誤差如表1所示。

4 結(jié)論

    本文對(duì)市政排水管道檢測(cè)中的聲納成像技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了管道聲納成像儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬管道以及現(xiàn)場(chǎng)市政排水管道的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的管道聲納成像儀符合“城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程(CJJ 181-2012)”中要求的聲納檢測(cè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了國(guó)外同種儀器的水平，能實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示排水管道的各種缺陷，具有便攜性、低功耗、管道缺陷清晰等優(yōu)異的性能和良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 車伍，張鵾，趙楊.我國(guó)排水防澇及海綿城市建設(shè)中若干問(wèn)題分析[J]．建設(shè)科技，2016(1)：22-25．

[2] 王棟．水利部摸底地下水資源:八成不能飲用遭污染超采[N]．每日經(jīng)濟(jì)新聞，2016-04-11(15)．

[3] 安關(guān)峰.《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》CJJ181-2012實(shí)施指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[4] 肖立志，張?jiān)?，吳文圣，?成像測(cè)井學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[5] 龐巨豐，李長(zhǎng)星，施振飛，等.測(cè)井原理及儀器[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[6] 馮啟寧，鞠曉東，柯式鎮(zhèn)，等.測(cè)井儀器原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[7] PACE N G.Ultrasonic surveying of fully charged sewage pipes[J].Electronics and Communications Engineering Journal，1994(6)：87-92．

[8] GHAZALI S N M，YAHYA N A M，SULAIMAN S.Charac-terization of Fiber Bragg Grating as optical temperature sensor for pipeline water leakage inspection[C].System Engineering and Technology(ICSET)，2013 IEEE 3rd International Conference on，2013：173-177．

[9] GOMEZ F，ALTHOEFER K，SENEVIRATNE L D.Modeling of ultrasound sensor for pipe inspection[C].Robotics and Automation，2003.Proceedings.ICRA′03.IEEE International Conference on，2003，2(2)：2555-2560．

[10] 劉志華，郭付才，彭新偉，等.基于CY7C68013A的FPGA配置和通信接口設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(2)：18-21．

[11] 蔡鄂，李東明，胡亞斌，等.基于MEMS的遠(yuǎn)程橋梁索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：68-70．

作者信息:

王永濤1，朱  珺1，2，李東明1，胡亞斌1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074；2.湖北廣播電視大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 武漢430074）