CN110988148B - 利用超声波检测压实度的测量系统及测量方法 - Google Patents

利用超声波检测压实度的测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用超声波检测压实度的测量系统、方法，其中，测量系统包括：任意波形发生器，用于控制一收发一体式超声探头生成超声波；收发一体式超声探头，用于将超声波发射到待检测的路基上，并用于将路基反射的回波转换成回波电信号并输出；信号收发器，用于接收回波电信号；信号预处理装置，用于对回波电信号进行信号预处理；数据采集卡，用于自动采集经信号预处理后的回波电信号，并将所采集到的回波电信号发送给上位机；上位机用于根据所接收的回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并用于根据所计算的回波信号模极大值特征比计算出路基的压实度，本发明简化了压实度的测量过程。

Description

利用超声波检测压实度的测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种压实度测量系统，尤其涉及一种利用超声波检测路基压实度的测量系统及测量方法。
背景技术
图7示出了现有技术中的测量路基压实度的方法的示意图，请参照图7，现有技术中的路基压实度测量方法需要测量待检测的护栏立柱6的内直径、外直径、壁厚、密度以及超声导波的纵波波速、横波波速、纵波衰减系数、横波衰减系数以计算出未埋地立柱部分的群速度频散曲线和衰减频散曲线，并需要计算出埋地立柱部分的各个立柱端面的回波幅值以及计算出立柱6未埋地部分和埋地部分的超声导波传播的衰减值，最后根据所计算的各个数据计算出路基7的压实度。
现有技术中的路基压实度测量方法需要计算大量的参数，计算工作量大，计算过程过于复杂，而且对于立柱形状也有所要求，当立柱为非长方体、圆柱体等规则形状时，可能导致所测得的压实度并不准确，无法分析归纳出压实度测量的标定曲线。
发明内容
鉴于上述存在的技术问题，本发明提供了一种利用超声波检测压实度的测量系统、测量方法，以解决上述技术问题。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是，提供一种利用超声波检测压实度的测量系统，用于检测路基的压实度，包括：
任意波形发生器，用于控制一收发一体式超声探头生成超声波；
所述收发一体式超声探头，通信连接所述任意波形发生器，用于根据所述任意波形发生器的控制信号生成所述超声波并将所述超声波发射到待检测的所述路基上，并用于接收所述路基反射的回波然后将反射的所述回波转换成回波电信号并输出；
信号收发器，通信连接所述收发一体式超声探头，用于接收所述回波电信号；
信号预处理装置，通信连接所述信号收发器，用于对所述回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的所述回波电信号；
数据采集卡，通信连接所述信号预处理装置，用于自动采集经信号预处理后的所述回波电信号，并将所采集到的所述回波电信号发送到上位机中进行数据分析、处理；
所述上位机通信连接所述数据采集卡，用于根据所接收的所述回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并用于根据所计算的所述回波信号模极大值特征比计算出所述路基的压实度。
作为本发明的一种优选方案，所述信号预处理装置中包括：
时间增益补偿电路，用于对所述回波电信号进行衰减信号补偿；
增益控制电路，连接所述时间增益补偿电路，用于控制所述时间增益补偿电路对所述回波电信号的衰减信号补偿；
放大及滤波电路，连接所述时间增益补偿电路，用于对所述回波电信号进行信号放大处理，并用于对所述回波电信号进行滤波降噪处理。
作为本发明的一种优选方案，所述上位机中具体包括：
回波信号分解单元，用于将所述回波电信号分解为n段；
小波变换单元，连接所述回波信号分解单元，用于对每一段所述回波电信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j,bi)；
模极大值计算单元，连接所述小波变换单元，用于根据所述小波系数Wf(j,bi)，计算得到所述尺度j下的模极大值；
模极大值特征分析单元，连接所述模极大值计算单元，用于求得每一时间段内的所述模极大值的能量和作为对应的所述时间段内的模极大值特征Ei；
模极大值特征比计算单元，连接所述模极大值特征分析单元，用于根据对每一所述时间段计算的所述模极大值特征Ei，计算得到所述回波电信号的模极大值特征比η；
环刀法测压实度单元，连接一模极大值特征比与压实度关系拟合单元，用于通过环刀法计算得到所述路基的所述压实度；
所述模极大值特征比与压实度关系拟合单元，分别连接所述模极大值特征比计算单元与环刀法测压实度单元，用于根据对不同压实度下的所述路基所计算的各所述模极大值特征比η与对应的所述压实度，拟合出所述模极大值特征比η与所述压实度的关系式并输出；
压实度计算单元，分别连接所述模极大值特征比计算单元和所述模极大值特征比与压实度关系拟合单元，用于根据所计算的所述模极大值特征比和所述关系式，输出所述路基的所述压实度。
本发明还提供了一种利用超声波检测压实度的测量方法，用于检测路基的压实度，所述方法通过应用所述测量系统实现，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述任意波形发生器控制所述收发一体式超声探头生成所述超声波；
步骤S2，所述收发一体式超声探头将所述超声波发射到待检测的所述路基上，所述路基的上下层分界面将超声回波反射给所述收发一体式超声探头；
步骤S3，所述收发一体式超声探头将反射的所述回波转换成回波电信号并输出；
步骤S4，所述信号收发器于所述收发一体式超声探头处接收到所述回波电信号并输出；
步骤S5，所述信号预处理装置对所述回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的所述回波电信号；
步骤S6，所述数据采集卡自动采集经信号预处理后的所述回波电信号，并将所采集到的所述回波电信号发送到上位机中进行数据分析、处理；
步骤S7，所述上位机根据所接收到的所述回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并根据所计算的所述模极大值特征比计算出所述路基的压实度。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S5中，对所述回波电信号进行信号预处理包括对所述回波电信号的衰减信号补偿和滤波降噪处理中的任意一种或全部。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S7中，所述上位机计算所述模极大值特征比的具体方法步骤如下：
步骤S71，所述上位机将所述回波电信号分解成n段；
步骤S72，所述上位机对每一段所述回波信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j,bi)；
步骤S73，所述上位机根据所述小波系数Wf(j,bi)，计算得到所述尺度j下的模极大值；
步骤S74，所述上位机求得每一时间段内的所述模极大值的能量和作为对应的所述时间段内的模极大值特征Ei；
步骤S75，所述上位机根据对每一所述时间段计算的所述模极大值特征Ei，计算得到所述模极大值特征比η。
作为本发明的一种优选方案，所述回波信号模极大值特征比η通过以下公式(1)计算而得：
Figure BDA0002288340850000041
公式(1)中，i用于表示第i个所述时间段；
n用于表示所述时间段的数量；
Ei用于表示第i个所述时间段内的所述回波电信号的所述模极大值特征；
max{Ei}用于表示n个所述模极大值特征中的最大的模极大值特征。
作为本发明的一种优选方案，所述模极大值特征Ei通过以下公式(2)计算而得；
Figure BDA0002288340850000042
公式(2)中，Wf(j,bi)用于表示所述小波系数；
bi用于表示第i个平移时间域；
tk用于表示第k个所述时间段；
1≤k≤n。
作为本发明的一种优选方案，所述S7中，所述上位机根据对不同压实度下的所述路基所计算的所述模极大值特征比η和所述压实度，分析得到所述模极大值特征比η与所述压实度之间的拟合关系，所述上位机根据所计算的所述模极大值特征比η，并基于所述模极大值特征比η与所述压实度之间的拟合关系，计算得到所述路基的所述压实度。
本发明的有益效果是：
1、本发明仅需要计算回波信号模极大值特征比即可测量得到路基的压实度，计算过程简单，计算工作量明显降低；
2、本发明可根据在不同压实度下计算的回波信号模极大值特征比分析得到回波信号模极大值特征比与压实度的关系，并根据两者的关系拟合出压实度测量的标定曲线，有利于进一步简化压实度的测量过程。
3、本发明提供的压实度测量方法不再局限于对路基的压实度测量，仅需要求得回波信号的模极大值特征比即可进一步求得压实度，适用范围更广。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用超声波检测压实度的测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的利用超声波检测压实度的测量系统中的信号预处理装置的内部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的利用超声波检测压实度的测量系统中的上位机的内部结构示意图
图4是应用本发明实施例的测量系统实现对路基压实度测量的方法步骤图；
图5是本发明实施例提供的测量系统计算回波信号模极大值特征比的方法步骤图；
图6是本发明实施例提供的测量系统对路基压实度进行测量的示意图；
图7是现有技术中的压实度测量方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明实施例提供的一种利用超声波检测压实度的测量系统，用于检测路基的压实度，请参照图1和图6，该测量系统包括：
任意波形发生器10，用于控制一收发一体式超声探头生成超声波；
收发一体式超声探头20，通信连接任意波形发生器10，用于根据任意波形发生器10的控制信号生成超声波，并将超声波发射到待检测的路基100上，并用于接收路基100反射的回波，然后将反射的回波转换成回波电信号并输出；
信号收发器30，通信连接收发一体式超声探头20，用于接收回波电信号；
信号预处理装置40，通信连接信号收发器30，用于对回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的回波电信号；
数据采集卡50，通信连接信号预处理装置40，用于自动采集经信号预处理后的回波电信号，并将所采集到的回波电信号发送到上位机60中进行数据分析、处理；
上位机60通信连接数据采集卡50，用于根据所接收的回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并用于根据所计算的回波信号模极大值特征比计算出路基的压实度。
上述技术方案中，任意波形发生器作为信号源，可以是现有技术中常用的波形发生器。收发一体式超声探头和信号收发器同样为现有的超声探头和信号收发器。
请参照图2，信号预处理装置40中包括：
时间增益补偿电路402，用于对反射的回波电信号进行衰减信号补偿；
增益控制电路401，连接时间增益补偿电路402，用于控制时间增益补偿电路对回波电信号的衰减信号补偿，比如控制衰减信号补偿的补偿量；
放大及滤波电路403，连接时间增益补偿电路402，用于对回波电信号进行信号放大处理，并用于对回波电信号进行滤波降噪处理。
这里需要说明的是，时间增益补偿电路402、增益控制电路401和放大及滤波电路403可以是现有的电路结构，三个电路具体结构也并非本发明要求权利保护的范围，所以电路具体结构在此不作详细阐述。
请继续参照图3，上位机60中具体包括：
回波信号分解单元601，用于将回波电信号分解为n段；
小波变换单元602，连接回波信号分解单元601，用于对每一段回波电信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j,bi)；
模极大值计算单元603，连接小波变换单元602，用于根据小波系数Wf(j,bi)，计算得到尺度j下的模极大值；
模极大值特征分析单元604，连接模极大值计算单元603，用于求得每一时间段内的模极大值的能量和作为对应的时间段内的模极大值特征Ei；
模极大值特征比计算单元605，连接模极大值特征分析单元604，用于根据对每一时间段计算的模极大值特征Ei，计算得到回波电信号的模极大值特征比η；
环刀法测压实度单元606，连接一模极大值特征比与压实度关系拟合单元607，用于通过环刀法计算得到路基100的压实度；
模极大值特征比与压实度关系拟合单元607，分别连接模极大值特征比计算单元605和环刀法测压实度单元606，用于根据对不同压实度下的路基100所计算的各模极大值特征比η与对应的压实度，拟合出模极大值特征比η与压实度的关系式并输出；
压实度计算单元608，分别连接模极大值特征比计算单元605和模极大值特征比与压实度关系拟合单元607，用于根据所计算的模极大值特征比η和所拟合的关系式，输出路基100的压实度。
上述技术方案中，模极大值特征Ei通过以下公式(2)计算而得：
Figure BDA0002288340850000081
公式(2)中，Wf(j,bi)用于表示所述小波系数；
bi用于表示第i个平移时间域；
tk用于表示第k个时间段；
1≤k≤n。
上述模极大值的计算过程简述如下：
若在b0的某个邻域(平移时间域)内有|Wf(j,bi)|≤|wf(j,b0)|，则|wf(j,b0)|为尺度j下的一个模极大值。
上述技术方案中，小波系数Wf(j,bi)的计算方法为现有的计算方法，关于小波系数Wf(j,bi)的计算过程在此不作阐述。
回波信号模极大值特征比η通过以下公式(1)计算而得：
Figure BDA0002288340850000082
公式(1)中，i用于表示第i个时间段；
n用于表示时间段的数量(回波电信号分段数量)；
Ei用于表示第i个时间段内的回波电信号的模极大值特征；
max{Ei}用于表示n个模极大值特征中的最大的模极大值特征。
上述技术方案中，上位机通过环刀法计算路基的压实度。通过环刀法计算压实度的方法为现有的技术方法，所以通过环刀法计算压实度的详细过程在此不作阐述。
后续，本实施例提供的利用超声波检测压实度的测量系统仅需要计算出关联于路基的模极大值特征比η，然后根据模极大值特征比与压实度的拟合关系，分析得到所计算的模极大值特征比η对应的路基压实度，将大大降低测量系统的计算工作量，提高对路基压实度的检测速度。
上述技术方案中，为了真实还原路基反射超声波的效果，优选地，请参照图6，在试验过程中，可以在路基的下方位置设置一块超声反射板200，超声波穿透路基100射到超声反射板200后，超声反射板200将回波反射到收发一体式超声探头20处。
本发明还提供了一种利用超声波检测压实度的测量方法，通过应用上述的测量系统实现，请参照图4和图6，该测量方法包括如下步骤：
步骤S1，任意波形发生器控制收发一体式超声探头生成所述超声波；步骤S2，收发一体式超声探头将超声波发射到待检测的路基上，路基的上下层分界面将超声回波反射给收发一体式超声探头；
步骤S3，收发一体式超声探头将反射的回波转换成回波电信号并输出；
步骤S4，信号收发器于收发一体式超声探头处接收到回波电信号并输出；
步骤S5，信号预处理装置对回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的回波电信号；
步骤S6，数据采集卡自动采集经信号预处理后的回波电信号，并将所采集到的回波电信号发送到上位机中进行数据分析、处理；
步骤S7，上位机根据所接收到的回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并根据所计算的回波信号模极大值特征比计算出路基的压实度。
步骤S5中，作为一种优选情况，对回波电信号进行信号预处理包括对回波电信号的衰减信号补偿和滤波降噪处理。
请参照图5，上位机计算回波信号模极大值特征比的具体方法步骤如下：
步骤S71，上位机将回波电信号分解成n段；
步骤S72，上位机对每一段回波信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j,bi)；
步骤S73，上位机根据小波系数Wf(j,bi)，计算得到尺度j下的模极大值；
步骤S74，上位机求得每一时间段内的模极大值的能量和作为对应的时间段内的模极大值特征Ei；
步骤S75，上位机根据对每一时间段计算的模极大值特征Ei，计算得到回波信号模极大值特征比η。
回波信号模极大值特征比η通过以下公式(1)计算而得：
Figure BDA0002288340850000101
公式(1)中，i用于表示第i个时间段；
n用于表示时间段的数量；
Ei用于表示第i个时间段内的回波电信号的所述模极大值特征；
max{Ei}用于表示n个模极大值特征中的最大的模极大值特征。
模极大值特征Ei通过以下公式(2)计算而得；
Figure BDA0002288340850000102
公式(2)中，Wf(j,bi)用于表示小波系数；
bi用于表示第i个平移时间域；
tk用于表示第k个所述时间段；
1≤k≤n。
步骤S7中，上位机根据回波信号模极大值特征比，并通过环刀法计算得到路基的压实度。通过环刀法计算压实度的方法为现有技术，其计算过程在此不作详细阐述。
为了提高压实度计算的速度，更优选地，S7中，上位机根据对不同压实度下的路基所计算的模极大值特征比η和压实度，分析得到模极大值特征比η与压实度之间的拟合关系，上位机根据所计算的模极大值特征比η，并基于模极大值特征比η与压实度之间的拟合关系，计算得到路基的压实度。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用超声波检测压实度的测量系统，用于检测路基的压实度，其特征在于，包括：
任意波形发生器，用于控制一收发一体式超声探头生成超声波；
所述收发一体式超声探头，通信连接所述任意波形发生器，用于根据所述任意波形发生器的控制信号生成所述超声波并将所述超声波发射到待检测的所述路基上，并用于接收所述路基反射的回波然后将反射的所述回波转换成回波电信号并输出；
信号收发器，通信连接所述收发一体式超声探头，用于接收所述回波电信号；
信号预处理装置，通信连接所述信号收发器，用于对所述回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的所述回波电信号；
数据采集卡，通信连接所述信号预处理装置，用于自动采集经信号预处理后的所述回波电信号，并将所采集到的所述回波电信号发送到上位机中进行数据分析、处理；
所述上位机通信连接所述数据采集卡，用于根据所接收的所述回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并用于根据所计算的所述回波信号模极大值特征比计算出所述路基的压实度；
所述上位机中具体包括：
回波信号分解单元，用于将所述回波电信号分解为n段；
小波变换单元，连接所述回波信号分解单元，用于对每一段所述回波电信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j，bi)；
模极大值计算单元，连接所述小波变换单元，用于根据所述小波系数Wf(j，bi)，计算得到所述尺度j下的模极大值；
模极大值特征分析单元，连接所述模极大值计算单元，用于求得每一时间段内的所述模极大值的能量和作为对应的所述时间段内的模极大值特征Ei；
模极大值特征比计算单元，连接所述模极大值特征分析单元，用于根据对每一所述时间段计算的所述模极大值特征Ei，计算得到所述回波电信号的模极大值特征比η；
环刀法测压实度单元，连接一模极大值特征比与压实度关系拟合单元，用于通过环刀法计算得到所述路基的所述压实度；
所述模极大值特征比与压实度关系拟合单元，分别连接所述模极大值特征比计算单元与环刀法测压实度单元，用于根据对不同压实度下的所述路基所计算的各所述模极大值特征比η与对应的所述压实度，拟合出所述模极大值特征比η与所述压实度的关系式并输出；
压实度计算单元，分别连接所述模极大值特征比计算单元和所述模极大值特征比与压实度关系拟合单元，用于根据所计算的所述模极大值特征比和所拟合的所述关系式，输出所述路基的所述压实度；
所述回波信号模极大值特征比η通过以下公式(1)计算而得：
Figure FDA0002609066390000021
公式(1)中，i用于表示第i个所述时间段；
n用于表示所述时间段的数量；
Ei用于表示第i个所述时间段内的所述回波电信号的所述模极大值特征；
max{Ei}用于表示n个所述模极大值特征中的最大的模极大值特征。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信号预处理装置中包括：
时间增益补偿电路，用于对所述回波电信号进行衰减信号补偿；
增益控制电路，连接所述时间增益补偿电路，用于控制所述时间增益补偿电路对所述回波电信号的衰减信号补偿；
放大及滤波电路，连接所述时间增益补偿电路，用于对所述回波电信号进行信号放大处理，并用于对所述回波电信号进行滤波降噪处理。
3.一种利用超声波检测压实度的测量方法，用于检测路基的压实度，所述方法通过应用如权利要求 1或2所述的测量系统实现，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述任意波形发生器控制所述收发一体式超声探头生成所述超声波；
步骤S2，所述收发一体式超声探头将所述超声波发射到待检测的所述路基上，所述路基的上下层分界面将超声回波反射给所述收发一体式超声探头；
步骤S3，所述收发一体式超声探头将反射的所述回波转换成回波电信号并输出；
步骤S4，所述信号收发器于所述收发一体式超声探头处接收到所述回波电信号并输出；
步骤S5，所述信号预处理装置对所述回波电信号进行信号预处理，并输出经信号预处理后的所述回波电信号；
步骤S6，所述数据采集卡自动采集经信号预处理后的所述回波电信号，并将所采集到的所述回波电信号发送到上位机中进行数据分析、处理；
步骤S7，所述上位机根据所接收到的所述回波电信号，计算得到回波信号模极大值特征比，并根据所计算的所述模极大值特征比计算出所述路基的压实度。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，对所述回波电信号进行信号预处理包括对所述回波电信号的衰减信号补偿和滤波降噪处理中的任意一种或全部。
5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述上位机计算所述模极大值特征比的具体方法步骤如下：
步骤S71，所述上位机将所述回波电信号分解成n段；
步骤S72，所述上位机对每一段所述回波信号进行高斯小波变换，得到尺度j下的小波系数Wf(j，bi)；
步骤S73，所述上位机根据所述小波系数Wf(j，bi)，计算得到所述尺度j下的模极大值；
步骤S74，所述上位机求得每一时间段内的所述模极大值的能量和作为对应的所述时间段内的模极大值特征Ei；
步骤S75，所述上位机根据对每一所述时间段计算的所述模极大值特征Ei，计算得到所述模极大值特征比η。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述模极大值特征Ei通过以下公式(2)计算而得；
Figure FDA0002609066390000031
公式(2)中，Wf(j，bi)用于表示所述小波系数；
bi用于表示第i个平移时间域；
tk用于表示第k个所述时间段；
1≤k≤n。
7.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述S7中，所述上位机根据对不同压实度下的所述路基所计算的所述模极大值特征比η和所述压实度，分析得到所述模极大值特征比η与所述压实度之间的拟合关系，所述上位机根据所计算的所述模极大值特征比η，并基于所述模极大值特征比η与所述压实度之间的拟合关系，计算得到所述路基的所述压实度。
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