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市政排水管道檢測中的聲納成像系統(tǒng)設計
2017年電子技術應用第1期
王永濤1，朱 珺1，2，李東明1，胡亞斌1
1.中國地質大學（武漢） 自動化學院，湖北 武漢430074；2.湖北廣播電視大學 電信學院，湖北 武漢430074
摘要： 聲納成像技術是市政排水管道病癥檢測中的一種重要檢測技術。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)旋轉掃描管壁成像的原理，給出了聲納成像儀的整體設計方案，詳細闡述了主控制器和探頭的實現(xiàn)方法，最后進行了室內模擬管道和工程現(xiàn)場排水管道的測試實驗。實驗表明，研制的聲納成像系統(tǒng)能實時測量顯示排水管道的輪廓，準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用前景。
中圖分類號： TH762
文獻標識碼： 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. 市政排水管道檢測中的聲納成像系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，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)建設和維護是“十三五”時期新型城鎮(zhèn)化建設中的重大工程，是“海綿城市”建設的重要組成部分[1]。排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市的“排泄系統(tǒng)”，擔負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，必然會導致排水管道經(jīng)過區(qū)域內的水生態(tài)系統(tǒng)被破壞、土壤被污染、城市內澇等嚴重后果[2]。

    排水管道檢測系統(tǒng)能夠檢測出管道的病癥，保證相關部門能及時維修受損的管道。目前排水管道檢測系統(tǒng)主要有3種：管道閉路電視檢測系統(tǒng)(Closed-Circuit Television，CCTV)、潛望鏡檢測系統(tǒng)和聲納檢測系統(tǒng)。CCTV檢測是使用最久的檢測方法之一，在歐美有30多年的使用歷史，其主要采用視頻技術，利用檢測小車在管道中移動并記錄管道內壁視頻，由技術人員對錄像進行分析，從而評估管道的狀況[3]。CCTV技術雖然成熟，但實際操作非常復雜。在CCTV檢測前需對管道進行封堵、吸淤泥、清洗、抽水等預處理，并且受天氣影響大，如雨天不能施工，檢測成本高。聲納成像技術是近幾年興起的管道檢測技術等，其施工前不需要對排水管道做任何預處理，聲納裝置在管道中行進一遍就可實時顯示管道狀況，下雨天也可正常施工，具有檢測簡單、成本低、效果好等優(yōu)點。目前國內使用的管道聲納檢測儀器全部采用進口設備，本文設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了排水管道聲納成像檢測儀器的國產(chǎn)化。

1 排水管道聲納成像技術原理

    排水管道聲納成像技術的工作原理是以脈沖反射波為基礎的[4]。儀器內部裝有步進電機和聲納聚焦換能器，利用步進電機帶動換能器在排水管道中繞自身360°旋轉并連續(xù)發(fā)射聲納信號，反射信號的傳播時間和幅度被測量并記錄下來顯示成管道截面圖，通過觀測管道截面圖的完整性檢測出病癥管道。

    換能器與管壁之間的距離可由反射信號的傳播時間計算得到[5，6]。計算公式如下：

    ck5-gs1.gif

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

    反射波幅度可以反應管道壁的各種性質[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)的表達式如下：

    ck5-gs2.gif

其中：ρ1、v1分別是管道內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，反應管道的聲學特性。

2 排水管道聲納成像檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結構

    排水管道聲納成像系統(tǒng)是一個復雜的控制、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]。整個系統(tǒng)構成以及模擬作業(yè)圖如圖1所示。

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2.2 主控制器設計

    主控制器是系統(tǒng)的控制核心，通過USB接口接收計算機的控制命令[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)包中包括模擬信號和數(shù)字信號，經(jīng)模擬開關電路判別后，數(shù)字信號在CPLD芯片XC95144XL中按照協(xié)議格式解碼，模擬信號經(jīng)過信號調理后由模數(shù)轉換芯片AD7760轉換, 數(shù)據(jù)經(jīng)存儲器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接口傳輸給計算機顯示。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檢測屬于弱信號檢測范疇[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，回波信號的幅度差別很大，從微伏級到伏級，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別是模數(shù)轉換器的采樣速度、精度以及動態(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、寬動態(tài)范圍的模數(shù)轉換器AD7760，其硬件電路原理圖如圖3所示。

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2.3 探頭設計

    探頭是整個系統(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、溫度值、電壓值、傾角值、轉角值等編碼)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)采集及信號驅動電路框圖。

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    排水管道聲納成像系統(tǒng)中聲納回波信號的質量除了與換能器的固有特性有關外，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，通過調節(jié)電位器，信號增益在0 dB～40 dB之間變化，D5～D8 4個二極管IN4148使AD603的輸入限幅在-1.4 V～+1.4 V。

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3 實驗結果與分析

    實驗分為兩部分，一是在室內利用模擬管道進行實驗，在已知模擬管道直徑和缺陷點位置的情況下，驗證采集的聲納回波信號是否能真實反應模擬管道缺陷的實際情況，同時驗證系統(tǒng)設計的合理性；二是在現(xiàn)場真實排水管道中進行實驗，驗證各項性能指標是否達到設計要求，同時驗證整個檢測系統(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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    模擬管道采用一個在內壁周圍涂滿混凝土的圓形塑料桶制作而成，實測直徑238 mm。將探頭置于塑料桶中，聲納波對塑料桶內壁連續(xù)旋轉掃描，步進角0.9°，每圓周掃描400次，根據(jù)聲納回波信號的傳播時間和幅度繪制成圖，圖像清晰反應塑料桶的內壁狀況，并且能準確定位和標示出人為缺陷。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際尺寸和測試尺寸對比結果如表1所示。結果顯示，系統(tǒng)誤差率低，精度能滿足實際應用。

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    排水管道聲納成像系統(tǒng)多次在現(xiàn)場排水管道中進行工程檢測實驗。圖10是湖南常德市排水管道淤泥普查項目中的一個聲納成像圖，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。排水管道直徑的測試誤差如表1所示。

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4 結論

    本文對市政排水管道檢測中的聲納成像技術進行研究，介紹了管道聲納成像儀的系統(tǒng)設計架構，實現(xiàn)了對實驗室模擬管道以及現(xiàn)場市政排水管道的測試。實驗結果表明，本文設計的管道聲納成像儀符合“城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程(CJJ 181-2012)”中要求的聲納檢測儀器的標準，達到了國外同種儀器的水平，能實時檢測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用前景。

參考文獻

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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.中國地質大學（武漢） 自動化學院，湖北 武漢430074；2.湖北廣播電視大學 電信學院，湖北 武漢430074）

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