《電子技術(shù)應(yīng)用》
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市政排水管道檢測(cè)中的聲納成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
王永濤1,朱 珺1,2,李東明1,胡亞斌1
1.中國地質(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
摘要: 聲納成像技術(shù)是市政排水管道病癥檢測(cè)中的一種重要檢測(cè)技術(shù)。研制了基于脈沖回波法的排水管道聲納成像系統(tǒng),介紹了聲納連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描管壁成像的原理,給出了聲納成像儀的整體設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)闡述了主控制器和探頭的實(shí)現(xiàn)方法,最后進(jìn)行了室內(nèi)模擬管道和工程現(xiàn)場排水管道的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,研制的聲納成像系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測(cè)量顯示排水管道的輪廓,準(zhǔn)確定位并量化管道的缺陷,具有誤差率低、便攜、低功耗、穩(wěn)定等優(yōu)異的性能和良好的市場應(yīng)用前景。
中圖分類號(hào): TH762
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.029
中文引用格式: 王永濤,朱珺,李東明,等. 市政排水管道檢測(cè)中的聲納成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(1):111-113,117.
英文引用格式: Wang Yongtao,Zhu Jun,Li Dongming,et al. Design of the sonar imaging system in the detection of municipal drainage pipeline[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):111-113,117.
Design of the sonar imaging system in the detection of municipal drainage pipeline
Wang Yongtao1,Zhu Jun1,2,Li Dongming1,Hu Yabin1
1.School of Automation,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China; 2.School of Telecommunications,Hubei Radio & TV University,Wuhan 430074,China
Abstract: Sonar imaging technology is one of the most important techniques in the disease detection of municipal drainage pipeline. A sonar imaging system for drainage pipeline based on pulse echo method was proposed. First the principle of sonar imaging by continuous scanning pipeline wall was introduced, and then the sonar imaging instrument was designed. Finally the indoor simulation pipeline test and real engineering drainage pipeline test were developed. Experiments show that this sonar imaging system can measure the profile of the drainage pipeline in real time, and can accurately pinpoint and quantize the defects of pipeline. It has the advantages of low error rate, portability, low power consumption, stability and the good market application prospect.
Key words : municipal drainage pipeline;sonar imaging technology;focused acoustic sensor;scanning pipeline wall;disease detection

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、泥沙堵塞等病癥問題,必然會(huì)導(dǎo)致排水管道經(jīng)過區(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)簡單、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(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)量并記錄下來顯示成管道截面圖,通過觀測(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:

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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來表示,反射系數(shù)的表達(dá)式如下:

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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。

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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長距離電纜線傳輸上來的“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。

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    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。

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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。

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    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。

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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。

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    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。

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    排水管道聲納成像系統(tǒng)多次在現(xiàn)場排水管道中進(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。

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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應(yīng)用前景。

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作者信息:

王永濤1,朱  珺1,2,李東明1,胡亞斌1

(1.中國地質(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)

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