CN110260827A - 基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法 - Google Patents

Abstract

基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法，先进行超声换能器布局；然后发射tone burst信号；确定补偿项；再设定不同传播距离进行频散补偿；然后绘制补偿距离‑最大幅值曲线并由此获得传播距离；然后通过实验获取路桩真实准确的声速；再移动超声换能器，得到多个传播距离的结果，进行平均处理；本发明基于宽带信号进行补偿，激励频率较高，具有精度高以及抗干扰能力强的优点；测量时采用多个位置结果平均的方式，提高了方法的鲁棒性。

Description

基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法

技术领域

本发明涉及预埋式固定路桩技术领域，具体涉及基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法。

技术背景

预埋式固定路桩一般固定于道路路口、景观道路、景区门口、商场广场等地，预埋式的固定路桩会有100mm以上的延伸段留在地下，这样使得固定路桩更坚固而且抗撞击力也略胜一筹。在建设单位完成固定路桩的施工后，验收单位需要对路桩进行验收。由于路桩数量较多，其实际长度成为了验收的一项重要项目。

目前常用的固定路桩长度测量方法有：(1)直接法：该方法将固定路桩从泥土中抽出，直接测量路桩的长度。主要存在以下问题：花费时间长，成本高，对于大量待测路桩来说本方法难以实施。(2)基于低频窄带导波频散补偿的方法：一种通过激励出低频窄带导波并进行频散补偿从而得到路桩长度的方法。主要有以下问题：管道中模态复杂，难以选择合适模态；低频超声在泥土中会出现严重的泄漏，信噪比较低；低频超声波长较大，测量精度差。(3)基于超声体波的长度测量方法：该方法激励超声体波，借助于时延和声速求得路桩的长度。该方法的主要问题在于：传感器难以布置，很小的角度偏差即会使得激励出的超声波与管壁发生反射，严重影响测量的精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法，实现预埋式固定路桩的长度测量，受土壤湿度变化的影响很小，降低错误值的影响，对环境的抗干扰能力较强。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法，包括以下步骤：

步骤一，在预埋式固定路桩顶部切面上安装一个超声换能器，保证超声换能器与路桩良好结合；

步骤二，使用波形发生器产生3MHz 3周期的tone burst信号，经过放大器放大并传输至超声换能器，由超声换能器激励出超声导波并沿着管壁向下传播；使用示波器以40MHz采样频率接收反射信号，只有对称模态的信号能够接收到；

步骤三，假设真实传播距离为L，那么接收信号g(t)按如下公式表示：

其中F(ω)是f(t)的傅里叶变换，ω为角频率，k为波数，为了去除频散的影响，需要使用补偿项C(k(ω)，x)，

C(k(ω),x)＝e^-ik(ω)x (2)

其中ω为角频率，k为波数，x为假定补偿距离；

步骤四，假定x是补偿的距离，那么对应的补偿结果为：

在进行频散补偿时，选择相对较大的带宽，带宽达20MHz·mm，在一次频散补偿的过程中同时补偿多个Lamb波模态；

步骤五，如果补偿距离等于真实的传播距离，那么就完全补偿了信号，即此时信号的能量会聚集到一个很窄的范围内，宽度小于20个采样点；针对不同的补偿距离，保留信号的最大幅值，据此绘出补偿距离-最大幅值曲线，即幅值补偿曲线，该曲线上的局部最大值所对应的位置就认为是传播距离的结果；

步骤六，取一根相同批次的路桩，用尺子准确测量其长度；按照路桩用材初步假定其声速，通过步骤一至步骤五求得路桩长度；真实声速与假定声速的比值等于真实长度与求得长度的比值，借此求得路桩中真实声速；

步骤七，在路桩顶部的切面上移动超声换能器，重复步骤一至步骤六，得到多个传播距离的结果，对多个结果进行平均处理得到一个较为稳定的结果。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

a)本发明方法，由于其激励频率较高，受土壤湿度变化的影响很小。

b)本发明方法测量时采用多个位置采集并对补偿结果进行平均的操作，可以降低错误值的影响，提高了方法的鲁棒性。

c)本发明方法采用宽带导波进行补偿，无需选择特定模态，其能量利用率较高，对环境的抗干扰能力较强，适应预埋式固定路桩复杂的服役环境。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为实施例传感器布局示意图。

图3为实施例中接收到的信号时域图。

图4为实施例路桩所用材料(铁)对应的相速度与群速度频散曲线。

图5为实施例中变动超声换能器位置所得图3时域信号对应的补偿结果，黑色圈标示出实际的传播距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

以典型固定路桩为实施例，实验所用的路桩为2.213m和0.704m的铁管，管道厚度为5.4mm，其中长度为0.704m的铁管用于实际声速的测量，2.213m的铁管用于本发明方法的验证。在实际声速测量的过程中，为了尽量减少环境噪声的影响，在铁管的下边沿加了缓冲隔离，每个缓冲隔离由3块支撑钢板和3块橡胶板组成，由底层开始分别为支撑钢板、橡胶板、支撑钢板、橡胶板、支撑钢板、橡胶板，总厚度约9.6cm；其中，支撑钢板尺寸为20cm×20cm×1.2cm，橡胶板尺寸为20cm×20cm×2cm。

如图1所示，基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法，包括以下步骤：

步骤一，将预埋式固定路桩的顶部切面清理干净并适当打磨，参照图2，选择超声换能器作为传感器，切面上安装一个超声换能器，并使用耦合剂保证超声换能器与路桩良好结合；

步骤二，使用波形发生器产生3MHz 3周期的tone burst信号，经过放大器放大并传输至超声换能器，由超声换能器激励出超声导波并沿着预埋式固定路桩的管壁向下传播；使用示波器以40MHz采样频率接收反射信号，由于超声换能器安装在切面上，从几何角度来说是一个对称的安装方式，因此，只有对称模态的信号可以接收到，本实施例接收到的信号时域图如图3所示；

步骤三，假设真实传播距离为L，那么接收信号g(t)可以按如下公式表示：

其中F(ω)是f(t)的傅里叶变换，ω为角频率，k为波数，为了去除频散的影响，需要使用补偿项C(k(ω)，x)，

C(k(ω),x)＝e^-ik(ω)x (2)

其中ω为角频率，k为波数，x为假定补偿距离；

步骤四，假定x是补偿的距离，那么对应的补偿结果为：

如图4所示，在大频厚积的条件下，群速度与相速度呈现一定的周期性，各个模态不会相互叠加；因此，在进行频散补偿时，可以选择相对较大的带宽(可达20MHz·mm)，在一次频散补偿的过程中同时补偿多个Lamb波模态；

步骤五，如果补偿距离等于真实的传播距离，那么就完全补偿了信号，即此时信号的能量会聚集到一个很窄的范围内(宽度小于20个采样点)；针对不同的补偿距离，保留信号的最大幅值；据此绘出补偿距离-最大幅值曲线，即幅值补偿曲线，该曲线上的局部最大值所对应的位置就可以认为是传播距离的结果；

步骤六，路桩真实准确的声速是进行频散补偿的前提，取一根相同批次的路桩，用尺子准确测量其长度；按照路桩用材初步假定其声速，通过步骤一至步骤五求得路桩长度；由于整个系统为线性系统，因此真实声速与假定声速的比值等于真实长度与求得长度的比值，借此可以求得路桩中真实声速；

步骤七，在路桩顶部的切面上移动超声换能器，重复步骤一至步骤六，得到多个传播距离的结果，对多个结果进行平均处理得到一个较为稳定的结果。如图5为6个传感器位置所对应的补偿结果。可以看到，尽管部分补偿结果中会有多个峰值，一定程度上会干扰判断；但是当补偿距离处于真实传播距离附近时，对应峰值仍然存在。因此，各个位置的补偿结果互相印证并作平均处理，即可得到较为可信的结果。

表1长度为2.213m铁管(传播距离4.426m)的测量结果

表2长度为0.704m铁管(传播距离1.408m)的测量结果

测量值/m	校正值/m	误差/cm	误差％
				1.453	1.408661	0.033049	0.023473
1.46	1.415447	0.372369	0.264467
				1.458	1.413508	0.27542	0.195611
1.457	1.412539	0.226946	0.161183
				1.468	1.423203	0.760163	0.539888
1.468	1.423203	0.760163	0.539888
				1.463	1.418356	0.517792	0.36775
声速系数	1.037642	平均值	1.461

声速系数由步骤六得出，用于校正传播距离的测量值，误差定义为：

从表中可以看出，传播距离估计误差最大为0.54％，最小为0.014％，因此本发明方法具有较高的精度。

Claims (1)

1.基于大频厚积导波频散补偿的固定路桩长度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在预埋式固定路桩顶部切面上安装一个超声换能器，保证超声换能器与路桩良好结合；

步骤二，使用波形发生器产生3MHz 3周期的tone burst信号，经过放大器放大并传输至超声换能器，由超声换能器激励出超声导波并沿着管壁向下传播；使用示波器以40MHz采样频率接收反射信号，只有对称模态的信号能够接收到；

步骤三，假设真实传播距离为L，那么接收信号g(t)按如下公式表示：

其中F(ω)是f(t)的傅里叶变换，ω为角频率，k为波数，为了去除频散的影响，需要使用补偿项C(k(ω)，x)，

C(k(ω),x)＝e^-ik(ω)x (2)

其中ω为角频率，k为波数，x为假定补偿距离；

步骤四，假定x是补偿的距离，那么对应的补偿结果为：

在进行频散补偿时，选择相对较大的带宽，带宽达20MHz·mm，在一次频散补偿的过程中同时补偿多个Lamb波模态；

步骤五，如果补偿距离等于真实的传播距离，那么就完全补偿了信号，即此时信号的能量会聚集到一个很窄的范围内，宽度小于20个采样点；针对不同的补偿距离，保留信号的最大幅值，据此绘出补偿距离-最大幅值曲线，即幅值补偿曲线，该曲线上的局部最大值所对应的位置就认为是传播距离的结果；

步骤六，取一根相同批次的路桩，用尺子准确测量其长度；按照路桩用材初步假定其声速，通过步骤一至步骤五求得路桩长度；真实声速与假定声速的比值等于真实长度与求得长度的比值，借此求得路桩中真实声速；

步骤七，在路桩顶部的切面上移动超声换能器，重复步骤一至步骤六，得到多个传播距离的结果，对多个结果进行平均处理得到一个较为稳定的结果。