CN105629246A - 一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置，包括发射电路、发射换能器阵列、接收换能器阵列、接收电路、多通道模数转换模块和信号处理及扫描成像输出模块；所述发射电路用于连接到发射换能器阵列以发射阵列扫描信号；发射换能器阵列安装在污水管渠的底部，发射超声波信号；接收换能器阵列安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器阵列所发出的声波信号，多通道模数转换模块和信号处理及扫描成像输出模块对接收声信号进行处理后实现断面扫描成像。采用上述技术方案后，本发明管渠污水的断面扫描成像声纳装置能够对污水管渠中固体垃圾进行断面扫描成像，获取固体垃圾的材质、尺寸等信息从而进行泵站粉碎设备的控制以及时进行处理，维护方便成本低廉。

Description

一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置

技术领域

本发明属于污水管道监测技术领域，具体来说是一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置。

背景技术

近年来，极端天气导致的城市内涝造成的生命财产损失引起全社会的严重关注。污水管渠排水系统的畅通是避免城市内涝的重要保障，城市污水中含有大量各类建筑垃圾、广告板、护栏、树木等不同材料的固体垃圾严重影响了泵站排水效率，设置在泵站的粉碎格栅对污水管渠中固体垃圾进行及时破碎对保障排水畅通有重要作用。

由于城市污水中固体垃圾由大量各类不同材料、不同形状的固体颗粒组成，为适应各种不同情况、不同来源固体垃圾造成的污水排水阻塞以便优化控制粉碎格栅进行相应处理，如，对泡沫、纸板等小尺寸、轻质颗粒，粉碎格栅只需以最小功率运行即可达到粉碎效果，有效疏通堵塞；对于广告板、金属护栏、建筑垃圾、树干等尺寸较大、硬度较高的固体垃圾，粉碎格栅需以大功率全速运行方可达到粉碎效果；特别是对于较大尺寸固体垃圾，由于粉碎机构入口的限制，往往需要人工干预进行排除以保证污水管道疏通。由于城市污水高度浑浊且包含大量家用、化工等液体污物，无法采用光学视觉方法对管渠污水中固体垃圾进行探测，采用传统超声波探测手段可对液体中固体目标有无进行探测，但在狭窄，封闭的污水管渠中进一步检测固体垃圾的尺寸、材质则有极大的困难，因此，目前尚此类可用于对污水中固体垃圾进行扫描成像探测的设备。如：申请号为201320053443.8的中国专利公开了名为“一种城镇污水处理系统”的实用新型专利，申请号201410136363.8的中国专利公开了名为“一种多功能跟踪采样联动系统“的发明专利，这些专利文献虽然提供了一些城市污水处理及监控的技术方案，但并没有针对以上问题提出可行的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置，用于进行污水管渠的断面扫描检测，通过断面扫描成像探测污水中固体垃圾的材质、尺寸控制粉碎格栅以相应的优化模式启动粉碎作业，设置在必要时通过报警引入人工干预，提高泵站粉碎格栅快速、高效处理各类污水阻塞问题的能力。

本发明的上述目的是通过下列技术方案来实现的：

一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置，包括发射电路、发射换能器阵列、接收换能器阵列、接收电路、多通道模数转换模块和信号处理及扫描成像输出模块；所述发射电路产生多个具有尖锐相关特性（伪随机码或线性调频类型）的发射信号并连接到发射换能器阵列；发射换能器阵列安装在污水管渠的底部，发射声波信号；接收换能器阵列安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器阵列所发出的声波信号，将声波信号转换为阵列扫描信号；接收电路连接接收换能器阵列，将接收换能器阵列的阵列扫描信号经前置放大、增益控制和带通滤波处理后传送至多通道模数转换模块，多通道模数转换模块将经接收电路处理后的信号转换为数字信号；信号处理及扫描成像输出模块通过数据线连接多通道模数转换模块，将多通道模数转换模块所产生的数字信号进行特征提取，显示出污水中固体垃圾的位置和尺寸。

所述发射换能器阵列可包括多个发射换能器，接收换能器阵列可包括多个接收换能器。

所述发射换能器阵列（优选）包括2个发射换能器，接收换能器阵列（优选）包括10个接收换能器。

所述发射换能器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，防水封装。

所述接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路组成。

所述多通道模数转换模块由1394接口和10通道模数采集卡组成，将信号以200ksps的速率进行模数转换，并通过1394接口将转换结果传送至上位机。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：1、能够对污水管渠中固体垃圾进行断面扫描成像，获取固体垃圾的材质、尺寸等信息从而进行泵站粉碎设备的控制以及时进行处理；2、为极端天气等突发情况下城市污水的应急监控和处理提供方便、可靠的探测手段；3、利用管渠断面内固体垃圾对收发换能器阵列间声信号直达路径的遮挡效应实现对水质不均匀、狭窄、封闭、水位变化的管渠中固体垃圾位置、尺寸信息的断面扫描检查及图形化监测，避免了采用复杂、昂贵的阵列技术进行目标尺寸探测，维护方便成本低廉。

附图说明

图1是本发明的系统原理图；

图2是污水管渠断面扫描成像示意图；

图3是发射电路的压控振荡器用升、降斜变脉冲信号产生电路图；

图4是发射换能器T1的压控产生升线性调频信号及发射驱动电路图；

图5是发射换能器T2的压控产生降线性调频信号及发射驱动电路图；

图6是接收电路与PC连接电路图。

主要符号说明

1、发射电路

2、接收电路

3、多通道模数转换模块

4、信号处理及扫描成像输出模块

5、污水管渠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置，如图1所示，包括发射电路1、发射换能器阵列、接收换能器阵列、接收电路2、多通道模数转换模块3和信号处理及扫描成像输出模块4。发射电路1产生多个具有尖锐相关特性（伪随机码或线性调频类型）的发射信号并连接到发射换能器阵列。发射换能器阵列安装在污水管渠5的底部，发射超声波信号；接收换能器阵列安装在污水管渠5的顶部，接收发射换能器阵列所发出的声信号，将声信号转换为阵列扫描信号。接收电路2连接接收换能器阵列，将接收换能器阵列的阵列扫描信号经前置放大、增益控制和带通滤波处理后传送至多通道模数转换模块3，多通道模数转换模块3将经接收电路2处理后的信号转换为数字信号。信号处理及扫描成像输出模块4通过数据线连接多通道模数转换模块3，将多通道模数转换模块3所产生的数字信号进行特征提取，显示出污水中固体垃圾的位置和尺寸。发射换能器阵列可包括多个发射换能器，接收换能器阵列可包括多个接收换能器。

在本实施例中发射换能器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，防水封装。发射换能器阵列优选包括2个发射换能传感器T1、T2，接收换能器阵列优选包括10个接收换能器R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，如图2所示。接收换能器阵列和发射换能器阵列的传感器数量可根据具体管渠断面监测所需精度进行确定，阵列传感器数量越多则断面内扫描点越多。由于一般管渠污水监测主要目的在于污水排水处理中及时发现较大尺寸固体垃圾，因此无需使用过多的传感器数量来达到高的图像分辨率，这样可有效控制系统成本。安装在污水管渠5底部的发射换能器发射中心频率40kHz、脉宽10ms的线性调频声波脉冲信号，由于本实施例采用2个发射换能器T1,T2，因此可采用升、降线性调频信号进行不同发射信号的区分(如发射换能器多于2个，可采用本领域通用的伪随机码发射信号进行不同发射换能器的接收信号区分)。安装在管渠顶部的接收换能器阵列接收声波信号。本实施例中信号处理及扫描成像模块包括PC机。声信号发射电路由PC机控制ARM9S3C2440微处理器通过UDA1341音频接口芯片控制压控发射电路实现发射换能器T1、T2分别发射升、降调频信号。具体地，如图3至5所示，分别使用S3C2440微处理器的GPB7、GPB8、GPB9端口来连接UDA1341芯片的L3MODE、L3DATA、L3CLOCK端进行I2S总线控制，并分别在UDA1341芯片的VOUTL、VOUTR端口接出LINEOUT_L、LINEOUT_R信号输出通道，启动声波信号发射后同时输出脉宽10ms,幅度从0至0.3v的升斜变脉冲信号和幅度从0.3v至0的降斜变脉冲信号，此升斜变脉冲信号和降斜变脉冲信号分别送入图3至5所示由4046芯片构成的压控振荡电路，由S3C2440的GPB10端口输出10ms低电平使能4046芯片输出中心频率40kHz、频率范围38-42kHz的升线性调频信号和降线性调频信号，推动发射阵列中发射换能器T1,T2同时发射升线性调频信号声波脉冲和降线性调频信号声波脉冲。接收电路2由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路组成，如图6所示。接收换能器阵列接收的10路声波信号经过前置放大电路放大、增益控制、带通滤波传递给多通道模数转换模块。多通道模数转换模块3由1394接口和10通道模数采集卡组成，将信号以200ksps的速率进行模数转换，并通过1394接口将转换结果传送至PC机。接收阵列10个接收换能器的初始接收增益由PC机根据各通道接收信号通过本领域通用的10通道PCI接口模数转换卡分别输出到各个通道对应AD603芯片的增益控制电压，从而抑制不同污水液面造成的接收信号初始幅度不同。

接收换能器阵列接收信号的检测过程、断面扫描点特征参数提取过程以数字信号的形式在PC机中进行。模数转换后的接收换能器阵列信号在PC中采用升、降线性调频信号进行信号分辨及相关峰提取，在PC机中进行断面扫描点成像映射以及结果输出、判断。在PC机中对接收换能器阵列接收到的各发射传感器信号进行相关峰检测从而获取各扫描点特征参数并进行断面扫描成像，下面结合图2对此过程进行具体描述：在本发明实施例中发射换能器阵列T1、T2安装于管渠底部分别发射中心频率40kHz的升、降线性调频脉冲信号，接收换能器阵列R1,…,R10安装于污水管渠5顶部对T1、T2发射的线性调频脉冲信号进行接收。由于本领域通用的发射、接收换能器器具有的发射、接收指向性波束较宽，10个接收换能器均能接收到T1、T2发射的升、降线性调脉冲信号，T1至R1,…,R10之间形成10条声信号直达路径，T2至R1,…,R10间同样形成10条声信号直达路径，这16条路径覆盖了污水管渠断面的主要部分并在断面内形成1+5+9+13+17=45个交叉点（构成45个断面扫描点）。当污水管渠5断面流过的污水中含有固体垃圾时，由于固体垃圾对这20条收发阵列之间声波信号直达路径中的部分路径形成遮挡效应，被遮挡区域对应的声直达路径意味着该路径接收信号幅度将大幅度减小，即：接收幅度大幅度减小的收发路径形成的交叉点反应了固体垃圾造成的遮挡区域。按照本实施例收发阵列设置的扫描成像映射关系，图2中的固体垃圾分布，造成了有7个断面扫描点受到固体垃圾影响，具体说明如下，T1发射的信号中：T1-R8,T1-R9直达路径被遮挡，信号幅度明显降低；T2发射的信号中：T2-R3,T2-R4,T2-R5,T2-R6被遮挡，信号幅度明显降低。则，通过升降线性调频信号分别检测R1,…,R10接收到的T1、T2发射信号，并获取每个发射-接收关系对应的相关峰幅度，T1-R8,T1-R9收发直达线与T2-R3,T2-R4,T2-R5,T2-R6收发直达线形成的7个断面扫描点，每个断面扫描点对应的2条交叉的收发直达线对应的接收信号相关峰幅度均明显低于其余未被固体垃圾遮挡区域对应的相关峰幅度，通过映射可形成如图2的断面扫描成像结果。该结果反映了固体垃圾所在的污水深度和尺寸，通过固体垃圾所在污水深度，由于密度越小的固体垃圾在污水中所处深度越浅，则可获得其材质信息。污水管渠底部由于处于该区域固体垃圾密度较大，一般不随污水流动，因此本实施例出于系统实现成本考虑，未在此区域断面设置收发扫描进行成像。在本发明技术的实际应用中，如需要可按照同样原理对此区域断面进行扫描。

因此，在PC中的成像输出模块只需通过匹配滤波计算接收阵列各接收换能器接收的各发射信号相关峰，并通过以下关系换算为每个断面扫描点对应的特征参数，即可进行断面扫描图像映射。VTm-Rn为对Tm-Rn收发信号进行本领域通用的匹配滤波处理获得的相关峰幅度，其中m,n为发射、接收编号，下文中p、q也为发射、接收编号；由于T1、T2分别采用升、降线性调频脉冲发射，接收阵列接收T1、T2同时发射的信号后采用本领域通用的匹配滤波技术即可从接收信号中方便地分辨出每个发射换能器的对应信号，同时，采用匹配滤波处理后提取接收信号匹配滤波输出的第一个相关峰的峰值可有效抑制在封闭、狭窄的污水管渠内信号多次反射造成的影响。则，污水管渠断面内Tm-Rn与Tp-Rq形成的断面扫描点特征参数定义为:Kmn-pq=VTm-Rn×VTp-Rq。由此定义可知，断面扫描点特征参数反映了污水中固体垃圾对对应收发路线造成的被阻隔现象，断面扫描点的特征参数值越小代表该区域存在的固体垃圾遮挡现象越严重。通过将整个断面内扫描点特征参数进行二维成像，并在PC机显示器上进行图形显示，操作人员即可获得固体垃圾位置、尺寸的信息。进而可根据密度关系，通过固体垃圾在污水水体中的深浅位置获得固体垃圾材质信息。同时，由于污水液面变化造成的初始接收信号幅度不同已经由接收电路中PC机控制增益控制芯片AD603根据各通道接收信号幅度进行调整，具体实现过程为：PC机接收并判断当前水位下各接收通道初始信号幅度，并根据此幅度从PC机通过PCI总线DA转换卡输出适当的控制电压G1,…,G10控制10个接收通道对应的AD603芯片的增益(如图6所示)，从而可调整各接收换能器接收信号的初始幅度保持基本一致，不受管渠中污水液面变化的影响（在污水溢满状态下，发射、接收换能器均浸没于污水中时系统也可正常工作）。

本实施例中，断面内扫描点特征参数进行二维成像并在PC机显示器上进行图形显示后，可采用本领域通用的图像特征提取算法对断面图像中固体垃圾位置、尺寸信息进行自动提取，从而可实现通过人工或自动设置模型进行泵站粉碎格栅的启动及工作模式优化控制，并可通过设置固体垃圾位置、尺寸的报警门限进行自动报警。由于污水管渠内空间狭窄、封闭，且污水中混有大量的泥沙、杂质、污物、固体垃圾等杂质，水质极度浑浊且呈严重的不均匀特性。在这样恶劣的条件下，常规的光学、电磁波、超声波探测方法均无法进行对污水内固体垃圾的材质、尺寸进行扫描成像探测。本发明提出的一种断面扫描成像声纳装置可很好地解决这一问题，为极端天气等突发情况下城市污水的应急监控和处理提供方便、可靠的探测手段。本发明公开的污水管渠断面扫描成像声纳装置最大的特点在于利用管渠断面内固体垃圾对收、发换能器阵列间声传播直达径的遮挡效应实现对水质不均匀、狭窄、封闭、水位变化的管渠中固体垃圾位置、尺寸信息的断面扫描检查及图形化监测，由于采用发射不同可分辨信号（升降线性调频信号或伪随机码）的发射换能器阵列进行阵列声波信号发射，收发阵列中每对发射-接收换能器在管渠断面形成的多条声传播路径的交点可构成多个扫描点，这些扫描点的接收信号可通过伪随机码进行区分探测从而获取每个扫描点对应的声通过特性并由此进行断面扫描成像，与传统需采用复杂、高成本的波束形成技术形成尖锐超声探测波束实现尺寸探测的方法相比，本发明提出的断面扫描成像声纳装置具有成本低、安装使用方便、可以图像形式可视化检测固体垃圾材质、尺寸信息的突出优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：包括发射电路、发射换能器阵列、接收换能器阵列、接收电路、多通道模数转换模块和信号处理及扫描成像输出模块；所述发射电路产生多个具有尖锐相关特性的发射信号并连接到发射换能器阵列；发射换能器阵列安装在污水管渠的底部，发射声信号；接收换能器阵列安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器阵列所发出的声信号，并将声信号转换为阵列扫描信号；接收电路连接接收换能器阵列，将接收换能器阵列的阵列扫描信号经前置放大、增益控制和带通滤波处理后传送至多通道模数转换模块，多通道模数转换模块将经接收电路处理后的信号转换为数字信号；信号处理及扫描成像输出模块通过数据线连接多通道模数转换模块，将多通道模数转换模块所产生的数字信号进行特征提取，显示出污水中固体垃圾的位置和尺寸。

2.根据权利要求1所述的管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：所述发射换能器阵列包括多个发射换能器，接收换能器阵列包括多个接收换能器。

3.根据权利要求1所述的管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：所述发射换能器阵列包括2个发射换能器，接收换能器阵列包括10个接收换能器。

4.根据权利要求2或3所述的管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：所述发射换能器器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，防水封装。

5.根据权利要求1所述的管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：所述接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路组成。

6.根据权利要求1所述的管渠污水的断面扫描成像声纳装置，其特征在于：所述多通道模数转换模块由1394接口和10通道模数采集卡组成，将信号以200ksps的速率进行模数转换，并通过1394接口将转换结果传送至上位机。