CN110243939B - 一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其处理方法。所述系统包括潜水器、振动传感器、信息处理单元；所述潜水器上安装有摄像头和机械手臂；所述摄像头用于观察水库坝体并记录下裂缝图像；所述机械手臂的前段安装有震源发生器；所述振动传感器安装在被检测的水坝上，所述振动传感器用于采集震源发生器敲击水坝产生的机械波；所述信息处理单元用于处理振动传感器采集的机械波数据。本发明定位精度高，操作技术难度低，适用范围广。

Description

一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及信息处理和水下定位领域，尤其涉及一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其工作方法。
背景技术
我国现有八万六千多座各类大坝，这些大坝建于不同年代，安全现状各异，由于水质侵蚀、冻融破坏，混凝土坝裂缝比较普遍；自建国起至今，我国已发生溃坝安全事故三千四百多起，不断出现的大坝安全问题，严重威胁着人民的生命财产安全。
国内外已有的成熟的水下定位技术，主要应用于海洋开发场景下，定位基阵铺设和回收耗时长、花费巨大；而且这些方法效率低下、适应性较弱，并不适用于中小型水库的坝体缺陷检测。
利用载人潜水器对水库坝体进行检测是目前的一个有效手段，但由于水下环境复杂，对载人潜水器实现精准定位极为困难。为了及时探测水库的溃坝风险，解决水库安全问题，一种水下定位准确、操作技术难度低的水坝裂缝缺陷检测系统是被需要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统及其工作方法，其能够克服传统定位方法水下环境定位误差大的缺点，为水库坝体安全检测和风险评估提供更有效、更准确的技术支持。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统，包括潜水器、振动传感器和信息处理单元；
所述潜水器上安装有摄像头和机械手臂；
所述摄像头用于观察水库坝体并记录下裂缝图像；
所述机械手臂的前段安装有震源发生器；
所述振动传感器安装在被检测的水坝上，所述振动传感器用于采集震源发生器敲击水坝产生的机械波；
所述信息处理单元用于处理振动传感器采集的机械波数据。
进一步的，所述振动传感器采用GS-1型旋转双线圈式检波器。
进一步的，所述振动传感器水平、等间距布置在水坝上。
一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统的工作方法，所述方法包括如下步骤：
通过震源发生器敲击水坝产生机械波；
振动传感器采集所述机械波并传递至信息处理单元；
所述信息处理单元对机械波数据进行处理、完成水坝裂缝缺陷定位。
进一步的，所述裂缝缺陷定位方法包括：
利用能量因子算法计算得到初至波传播至各振动传感器的传播时间，即初至波到达时间；
根据传播时间获得各振动传感器震源的距离；
利用球面交汇定位的原理对水坝裂缝缺陷完成定位。
进一步的，所述初至波到达时间的计算方法包括：
获取初至波的长/短时窗识别因子、等窗长识别因子和振动能量特征函数；
根据所述长/短时窗识别因子、等窗长识别因子和振动能量特征函数获得初至波识别因子，所述初至波识别因子的峰值对应的采样点即为初至波到达时间。
进一步的，所述长/短时窗识别因子的计算方法包括：
Figure RE-GDA0002160282830000031
其中，d(i)为第i个时间点的长/短时窗识别因子，x(i)(i＝ 1，2，…，N表示第i个时间点的检波器通道内的振动能量，M和N 分别表示长时窗和短时窗内的采样样本数。
所述等窗长识别因子的计算方法包括：
Figure RE-GDA0002160282830000032
其中，所述e(i)为第i个时间点的等窗长识别因子；
所述振动能量特征函数获的计算方法包括：
F(i)＝x(i)2+x(i)*x(i+1) (3)
其中，F(i)为振动能量特征函数，x(i)(i＝1，2，…，N)表示第i个时间点的检波器通道内的振动能量；
所述初至波识别因子R(i)的计算方法包括：
Figure RE-GDA0002160282830000041
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过若干个振动传感器采集机械波，信息处理单元对数据进行处理计算，实现对水坝裂缝缺陷的精确定位，系统操作技术难度低，处理数据速度快，能够为水坝的安全检测提供有效的技术支持。
附图说明
图1为本发明的总体系统构成图；
图2为本发明的工作实施流程图；
图3为初至波到时计算方法流程图。
附图标记：1-潜水器；2-摄像头；3-机械手臂；4-震源发生器； 5-振动传感器。
具体实施方式
现在结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示：一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统，包括：具有观察记录作业功能和产生人工震源功能的小型载人潜水器、具有采集机械波信号功能的振动传感器、能够处理数据、实现定位功能的信息处理单元。
具体的，所述具有观察记录作业功能和产生人工震源功能的小型载人潜水器包括：摄像头，机械手臂，人工震源发生器。其中，摄像头安装于小型载人潜水器前端，机械手臂安装于小型载人潜水器上，人工震源发生器被安装固定在机械手臂前端。摄像头用于观察水库坝体，并记录下裂缝图像；机械手臂完成简单作业，操控人工震源发生器敲击水坝；人工震源发生器能够以固定频率敲击水坝，产生易于识别的机械波振动。
若干个振动传感器采用插入式安装方式水平、等间距布置在水坝上，用于采集敲击水坝裂缝产生的机械波，信息处理单元对数据进行处理计算，完成对水坝裂缝的定位。
基于上述设置，所述的整体系统的工作流程如图2，其工作流程为：
(1)在待测水库坝体上水平、等间距安装若干个振动传感器，并连接至信息处理单元；
(2)选定地点，在已知距离的情况下，用人工震源发生器敲击水坝，进行多组预实验；振动传感器采集机械波，信息处理单元对数据进行处理计算后，得到当前环境下机械波波速；
(3)工作人员操作载人潜水器进行水下作业，当观察到坝体裂缝缺陷时，通过摄像头拍摄记录裂缝图片；
(4)操作机械手臂，操控人工震源发生器对裂缝处进行敲击，产生机械波，以作为定位水坝裂缝缺陷的信号；
(5)电子计算机处理数据，利用能量因子算法计算得到初至波传播至各振动传感器的时间Ti(i＝1，2，…，N)，进一步得出各传感器距震源的距离Di(i＝1，2，…，N)，利用球面交汇定位的原理对水坝裂缝缺陷完成定位。
具体的，所述的能量因子算法是一种经典可靠的初至波到时计算方法，利用初至波起跳时间早、能量强的特点，通过对初至波到达前后检波器通道内能量差异进行对比，精确计算出初至波到达时间。
基于上述设置，通过能量因子算法计算初至波到时的流程如图3 所示：
(1)设第i个时间点的长/短时窗识别因子d(i)，其计算公式如下：
Figure RE-GDA0002160282830000061
其中x(i)(i＝1，2，…，N)表示检波器通道内的振动能量，M和 N分别表示长时窗和短时窗内的采样样本数。
(2)设第i个时间点的等窗长识别因子e(i)，其计算公式如下：
Figure RE-GDA0002160282830000062
其中x(i)(i＝1，2，…，N)表示检波器通道内的振动能量，N表示等时间窗内的采样样本数。
(3)为增强初至波到达时信号的特征变化，提高识别的准确率，设置振动能量特征函数F(i)，其计算公式如下：
F(i)＝x(i)2+x(i)*x(i+1) (3)
其中x(i)(i＝1，2，…，N)表示检波器通道内的振动能量。
(4)结合特征函数和两种时窗能量比的公式，给出初至波识别因子R(i)的计算公式：
Figure RE-GDA0002160282830000071
(5)通过逐个采样点滑窗的方式，求取初至波识别因子R(i)；所求初至波识别因子的峰值对应的采样点即为初至波到达时间。
具体的，所述的球面交汇定位的方法，由球面模型几何交汇的性质得到，四个球面即可确定空间唯一一个点。设第i个振动传感器的坐标为(xi，yi，zi)，(i＝1，2，…，M)，待定位水坝裂缝缺陷处的坐标为(x0，y0，z0)，则球面交汇模型可表示为：
(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2＝Di 2 (5)
各振动传感器坐标已知，震源距各振动传感器的距离Di已求得，根据上述球面交汇模型，可完成对水坝裂缝缺陷处的定位。
所述的人工震源发生器采用的震源例如但不限于大容量低频组合气枪震源，所述的振动传感器采用的地震检波器例如但不限于 GS-1型旋转双线圈检波器。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统，其特征在于，包括潜水器、振动传感器和信息处理单元；
所述潜水器上安装有摄像头和机械手臂；
所述摄像头用于观察水库坝体并记录下裂缝图像；
所述机械手臂的前段安装有震源发生器；
所述振动传感器安装在被检测的水坝上，所述振动传感器用于采集震源发生器敲击水坝产生的机械波；
所述信息处理单元用于处理振动传感器采集的机械波数据。
2.根据权利要求1所述的基于机械波定位的水坝缺陷检测系统，其特征在于，所述振动传感器采用GS-1型旋转双线圈式检波器。
3.根据权利要求2所述的基于机械波定位的水坝缺陷检测系统，其特征在于，所述振动传感器水平、等间距布置在水坝上。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述的基于机械波定位的水坝缺陷检测系统的工作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
通过震源发生器敲击水坝产生机械波；
振动传感器采集所述机械波并传递至信息处理单元；
所述信息处理单元对机械波数据进行处理、完成水坝裂缝缺陷定位。
5.根据权利要求4所述的一种基于机械波定位的水坝缺陷检测系统的工作方法，其特征在于，所述裂缝缺陷定位方法包括：
利用能量因子算法计算得到初至波传播至各振动传感器的传播时间，即初至波到达时间；
根据传播时间获得各振动传感器震源的距离；
利用球面交汇定位的原理对水坝裂缝缺陷完成定位；
所述初至波到达时间的计算方法包括：
获取初至波的长/短时窗识别因子、等窗长识别因子和振动能量特征函数；
根据所述长/短时窗识别因子、等窗长识别因子和振动能量特征函数获得初至波识别因子，所述初至波识别因子的峰值对应的采样点即为初至波到达时间；
所述长/短时窗识别因子的计算方法包括：
Figure FDA0003277148700000021
其中，d(i)为第i个时间点的长/短时窗识别因子，x(i)(i＝1，2，...，N)表示第i个时间点的检波器通道内的振动能量，M和N分别表示长时窗和短时窗内的采样样本数；
所述等窗长识别因子的计算方法包括：
Figure FDA0003277148700000022
其中，所述e(i)为第i个时间点的等窗长识别因子；
所述振动能量特征函数获的计算方法包括：
F(i)＝x(i)2+x(i)*x(i+1) (3)
其中，F(i)为振动能量特征函数。
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