CN111190220A - 一种声波信号的探测方法及装置 - Google Patents

一种声波信号的探测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开实施例是关于一种声波信号的探测方法及装置。该方法包括以下步骤：接收声波模拟信号，将所述声波模拟信号转换为数字信号；对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，所述第一幅值为所述数字信号在预设频率内的平均幅值，所述第二幅值为所述数字信号在所述预设频率外的平均幅值；比较所述第一幅值和所述第二幅值的大小，当所述第一幅值大于所述第二幅值时，判断所述第一幅值和所述第二幅值的比值是否大于第一阈值；若所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。本公开实施例可以精准的识别出探测声波信号，进而提高了燃气PE管道的定位精度。

Description

一种声波信号的探测方法及装置
技术领域
本公开实施例涉及埋地燃气PE管道定位技术领域，尤其涉及一种声波信号的探测方法及装置。
背景技术
听音法是利用地面拾音器截获埋地燃气PE管道内的声音而来确定管道的位置的。其工作原理是：声波信号发生器产生一定频率的声波信号，当声波信号作用于管道内的燃气时，声波信号将以具有一定压力的燃气为介质，沿着埋于地下的管道的内部向远端传输。这时通过地面的拾音器就可以监听到地下管道声波传输的声音，进而通过声音的大小可以判断出管道的地下位置。
相关技术中，监听地下管道声波传输的声音方式通常为人工听音和信号分析两种方法。关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：例如，燃气PE管道施工环境复杂，各种大型机械设备的工作为现场带来了大量的噪声，这些噪声增加了有效声波信号的识别难度，依靠人耳经常无法从噪声中识别出地下传出的声波信号，且受操作人员听力和经验的影响，定位不够准确，甚至会出现误判。此外，探测中声源距接收距离较远，且传播路径经过压缩燃气、塑料管壁以及土壤沙石等不同介质，最终可以采集到的信号极其微弱，传统的信号分析方法无法满足长距离探测的要求，而现场施工带来的强声波干扰信号也会掩盖真实信号，使得探测精度下降。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种声波信号的探测方法及装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种声波信号的探测方法，应用于埋地燃气PE管道的定位场景中，该方法包括以下步骤：
步骤S1：接收声波模拟信号，将所述声波模拟信号转换为数字信号；
步骤S2：对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，所述第一幅值为所述数字信号在预设频率内的平均幅值，所述第二幅值为所述数字信号在所述预设频率外的平均幅值；
步骤S3：比较所述第一幅值和所述第二幅值的大小，当所述第一幅值大于所述第二幅值时，判断所述第一幅值和所述第二幅值的比值是否大于第一阈值；
步骤S4：若所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
本公开的一种示例性实施例中，
在所述步骤S1中，接收N帧所述声波模拟信号，并将N帧所述声波模拟信号分别转换为N帧数字信号，N为大于等于1的整数；
对各帧所述数字信号分别按照所述步骤S2和所述步骤S3进行处理；
在所述步骤S3之后，统计N帧所述数字信号中，所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值的数字信号的数量K；
将K与第二阈值进行比较，当K大于等于所述第二阈值时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
本公开的一种示例性实施例中，所述将K与第二阈值进行比较的步骤中，当K小于第三阈值时，确认为未探测到有效数据，并输出检测结果。
本公开的一种示例性实施例中，所述将K与第二阈值进行比较的步骤中，当K小于所述第二阈值且大于等于所述第三阈值时，确认为探测到疑似数据，并输出检测结果。
本公开的一种示例性实施例中，所述声波模拟信号通过ADC转换为数字信号。
本公开的一种示例性实施例中，采用CZT算法对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析。
本公开的一种示例性实施例中，所述第一幅值和所述第二幅值的比值为对数比值。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种声波信号的探测装置，应用于埋地燃气PE管道的定位场景中，包括：
声波转换模块，用于接收声波模拟信号，将所述声波模拟信号转换为数字信号；
频谱分析模块，用于对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，所述第一幅值为所述数字信号在预设频率内的平均幅值，所述第二幅值为所述数字信号在所述预设频率外的平均幅值；
判断模块，用于比较所述第一幅值和所述第二幅值的大小，当所述第一幅值大于所述第二幅值时，判断所述第一幅值和所述第二幅值的比值是否大于第一阈值；
数据确认模块，用于当所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
本公开的一种示例性实施例中，所述声波转换模块还包括N个声波转换子模块，N个所述声波转换子模块用于同时将N帧声波模拟信号转换为N帧数字信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述判断模块还包括计数模块，用于统计N帧所述数字信号中，所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值的数字信号的数量。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开的实施例中，通过对数字信号进行预设频域内的频谱分析，可精准的计算出预设频率内的平均幅值(探测声波信号的平均幅值)以及预设频率外的平均幅值(干扰信号的幅值)，由于干扰信号与探测声波信号的幅值具有明显的差异，再通过对二者幅值大小的比对以及判断二者的幅值比值是否超过一个预设的第一阈值，即可在许多干扰信号中精准的识别出探测声波信号，进而提高燃气PE管道的定位精度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开示例性实施例中埋地燃气PE管道的水平定位原理图；
图2示出本发明示例性实施例中声波信号的探测方法步骤示意图；
图3示出本公开示例性实施例中干扰信号和探测信号的频谱比较图；
图4示出本公开示例性实施例中声波信号的探测方法流程图；
图5示出本公开示例性实施例中声波信号的探测装置框架示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
埋地燃气PE管道在水平定位时，如图1所示，以大地表面为参照系，定位埋地管道在地表面的精确坐标。水平定位的方法主要依据测试点的声波强度，声波的强度由传输距离和声源射线与拾音器夹角所决定。由于拾音器采用垂直安装结构，因此对垂直方向的声波信号具有较高的增益，当在地表面的接收机拾音探头处于管道上方时，声波强度最大，当偏离管道上方时声波强度变弱，一般来说只要在管道上方的一定区域内找到声波强度最大点即可确定管道的位置。
因此，是否能精准的识别出探测声波信号是提高埋地燃气PE管道水平定位精度的关键。然而，在实际操作中，声源离拾音器的距离较远，且传播路径经过压缩燃气、塑料管壁以及土壤沙石等不同介质，导致最终采集的信号极其微弱，再加上现场施工带来的强声波干扰信号对探测信号的掩盖，使得对探测信号的识别准度下降，且无法满足长距离探测的要求。
基于此，本示例实施方式中首先提供了一种声波信号的探测方法，应用于埋地燃气PE管道的定位场景中，且该方法可以应用于一终端设备。参考图2中所示，该方法可以包括下述步骤：
步骤S1：接收声波模拟信号，将声波模拟信号转换为数字信号；
步骤S2：对数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，第一幅值为数字信号在预设频率内的平均幅值，第二幅值为数字信号在预设频率外的平均幅值；
步骤S3：比较第一幅值和第二幅值的大小，当第一幅值大于第二幅值时，判断第一幅值和第二幅值的比值是否大于第一阈值；
步骤S4：若第一幅值和第二幅值的比值大于第一阈值，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
本公开的实施例中，通过对数字信号进行预设频域内的频谱分析，可精准的计算出预设频率内的平均幅值(探测声波信号的平均幅值)以及预设频率外的平均幅值(干扰信号的幅值)，由于干扰信号与探测声波信号的幅值具有明显的差异，再通过对二者幅值大小的比对以及判断二者的幅值比值是否超过一个预设的第一阈值，即可精准的识别出探测声波信号，进而提高燃气PE管道的定位精度。
下面，将参考图2至图4对本示例实施方式中的上述方法的各个步骤进行更详细的说明。
在步骤S1中，接收声波模拟信号，并将声波模拟信号转换为数字信号。
示例的，该声波模拟信号不仅包括从PE管道中传来的由声波信号发生器产生的一定频率的探测信号，还包括干扰信号，例如周围的施工噪音等等。
具体的，声波模拟信号在转换时使用ADC(Analog to Digital Converter)模数转换，ADC转换是将模拟量转换成数字量的过程，可方便后续步骤中对声波模拟信号的处理。
在步骤S2中，对数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，第一幅值为数字信号在预设频率内的平均幅值，第二幅值为数字信号在预设频率外的平均幅值。
具体的，该预设频域的范围，以声波信号发生器产生的探测信号的固定频率为中心，并根据实际情况上下扩展一定的频率。而预设频率则为声波信号发生器产生的探测信号的频率，本公开对该预设频率的具体数值不做限制，可根据实际情况来设定。
本示例中，也把传统信号分析方法中的时域分析变为了频谱分析。对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。因此，频谱分析提高了信号分析的精准度。
在一个实施例中，采用CZT算法对数字信号进行预设频域内的频谱分析。
接收信号的灵敏度反应了一个系统检测微弱信号的能力，例如，接收信号的灵敏度高意味着检测微弱信号的能力强，接收信号的灵敏度低则意味着检测微弱信号的能力弱。而接收信号的灵敏度计算公式如下：
接收信号的灵敏度＝-174+NF+10lgB+10lgSNR
其中，NF为噪声系数，B为滤波器带宽，SNR为信噪比。
由此公式可知，当噪声系数NF和信噪比SNR不变时，滤波器带宽B越窄，接收信号的灵敏度越高。而根据数字滤波器的设计原理，频率分辨度的提高，等效于滤波器带宽B变窄，因此，可通过提高频率分辨度来提高接收信号的灵敏度。
本示例中，采用的CZT算法具有极高的频谱分辨率，最适用在小区域频谱内的高精度频谱运算，且在频谱精度相同的情况下，CZT算法较传统的FFT算法更加简洁高效，处理速度也更快。
通过测试，以声波信号发生器产生的探测信号的固定频率为中心，用CZT算法做小频域内的频谱分析，频谱分析滤波器带宽可做到0.01Hz，而在传统的信号分析方法中，受体积重量器件等因素所限，模拟滤波器带宽只能做到10Hz左右，相比较，本示例使得接收信号的灵敏度提高了近30dB，而实际PE管道的探测距离也由传统的500米扩展到1200米。
在步骤S3中，比较第一幅值和第二幅值的大小，当第一幅值大于第二幅值时，判断第一幅值和第二幅值的比值是否大于第一阈值。
通过实验发现，如图3所示，干扰信号的频谱宽度与声波信号发生器产生的探测信号的频谱宽度具有明显的差异。图3(a)为单一的探测信号的频谱，该频谱宽度较窄；图3(b)为干扰信号的频谱，该频谱宽度较宽；图3(c)为探测信号和干扰信号同时存在的频谱。因此可依据干扰信号的谱宽和强度，提高检测门限即第一阈值，可有效的抑制干扰带来的误判。
在一个具体的实施例中，当第一幅值大于第二幅值时，意味着探测信号的平均幅值大于干扰信号的平均幅值，表明接收到的信号中可能存在探测信号频率，否则，一定不存在探测的信号频率。再利用设置的检测门限即第一阈值，判断该探测信号的平均幅值与干扰信号的平均幅值的比值是否大于第一阈值。示例性的，该第一幅值和第二幅值的比值也可以是对数比值，以使得数据更加好看，结果更易统计。
例如，在一个示例中，第一阈值为6dB。如果大于6dB，表明探测信号频率存在，反之，则表明不存在探测信号频率。为了在强干扰下能准确的获取到探测信号，可以根据不同的探测环境，调整第一阈值的数值，例如，干扰信号较强时，适当增大第一阈值的数值，而干扰信号较弱时，可以适当减小第一阈值的数值。
在步骤S4中，若第一幅值和第二幅值的比值大于第一阈值，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
为了更准确的判断接收到的声波模拟信号中是否有探测信号频率，还可以截取一段新的信号数据重复执行上述检测算法，具体流程可参考图4。
在步骤S1中，接收N帧声波模拟信号，并将N帧声波模拟信号分别转换为N帧数字信号，N为大于等于1的整数。
示例性的，设N的数值为10，则接收10帧声波模拟信号，将这10帧声波模拟信号使用ADC转换为10帧数字信号，这10帧数字信号分别为n1、n2……n10。
将每一帧数字信号都按照步骤S2和步骤S3的方法处理完毕。
例如，对数字信号n1处理时，使用CZT算法(Z变换)进行预设频域内的频谱分析，以声波信号发生器产生的探测信号的频率为准，计算得到第一幅值Vm以及第二幅值Vn，判断Vm和Vn的大小。
当Vm＜Vn时，结束对数字信号n1的处理。
当Vm＞Vn时，将log(Vm/Vn)与第一阈值VL进行比较，若log(Vm/Vn)≤VL，结束对数字信号n1的处理，若log(Vm/Vn)＞VL，标记数字信号n1为k1。
同理，处理数字信号n2、n3……直到n10。
之后统计k1、k2……的整体数量K。
将K与第二阈值Rv进行比较，当K≥Rv时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果；
当K＜第三阈值Rn时，确认为未探测到有效数据，并输出检测结果；
当Rv＞K≥Rn时，确认为探测到疑似数据，并输出检测结果。
如此，使得最终的探测信号结果更加精准。
在一个具体的实施例中，声波信号发生器产生的探测信号Sn为470Hz，有效频宽为±0.05Hz，CZT频率分辨率为0.01Hz，设定第一阈值VL为9dB(大约282％)，探测次数N为10次，第二阈值Rv为6次(60％)，第三阈值Rn为2次(20％)。
按照图4中的流程，将接收到的声波模拟信号进行ADC转换成数字信号，再使用CZT算法对数字信号进行频谱分析，计算出有效频率(470±0.05Hz)的幅值平均值Vm，以及有效频宽以外的噪声的幅值平均值Vn，判断Vm及Vn的大小。当Vm＞Vn时，计算20×log10(Vm/Vn)的数值并与第一阈值VL比较。
在噪声较小的情况下，计算得的20×log10(Vm/Vn)一般在10dB-15dB之间，该数值大于9dB，且10次探测中，能探测到有效声源信号的次数为8次以上，判断为有声源信号。
在没有声源信号的情况下，计算得的20×log10(Vm/Vn)一般在-3dB-6dB之间，该数值小于9dB，可判断为无声源信号。但在10次探测中，偶然会出现一次大于9dB的情况，但该次数仍然小于2次，因此，依然判断为无声源信号。
在噪声较大的情况下，计算得的20×log10(Vm/Vn)一般在0dB-12dB之间，此时，计算出10次探测中该值大于9dB的次数，当该次数大于等于6次时，判断为有声源信号；当该次数小于2次时，判断为无声源信号；当该次数大于等于2次且小于6次时，判断为有疑似的声源信号。
通过多次试验，证明本方法是行之有效的。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。另外，也易于理解的是，这些步骤可以是例如在多个模块/进程/线程中同步或异步执行。
进一步的，本示例实施方式中，还提供了一种声波信号的探测装置。参考图5中所示，该装置100可以包括声波转换模块110、频谱分析模块120、判断模块130以及数据确认模块140。其中：
声波转换模块110，用于接收声波模拟信号，并将声波模拟信号转换为数字信号；
频谱分析模块120，用于对数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，第一幅值为数字信号在预设频率内的平均幅值，第二幅值为数字信号在预设频率外的平均幅值；
判断模块130，用于比较第一幅值和所述第二幅值的大小，当第一幅值大于所述第二幅值时，判断第一幅值和第二幅值的比值是否大于第一阈值；
数据确认模块140，用于当第一幅值和述第二幅值的比值大于第一阈值时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
通过本示例提供的上述声波信号探测装置，可以精准的识别出探测声波信号，提高了燃气PE管道的定位精度。
在一个实施例中，声波转换模块110还包括N个声波转换子模块，N个声波转换子模块用于同时将N帧声波模拟信号转换为N帧数字信号。
在一个实施例中，判断模块130还包括计数模块，用于统计N帧数字信号中，第一幅值和第二幅值的比值大于第一阈值的数字信号的数量。
通过对该N帧数字信号的分别处理，以及符合第一幅值和第二幅值的比值大于第一阈值的数字信号的数量的统计，可以进一步增加识别探测信号的精准度。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种声波信号的探测方法，应用于埋地燃气PE管道的定位场景中，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：接收声波模拟信号，将所述声波模拟信号转换为数字信号；
步骤S2：对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，所述第一幅值为所述数字信号在预设频率内的平均幅值，所述第二幅值为所述数字信号在所述预设频率外的平均幅值；
步骤S3：比较所述第一幅值和所述第二幅值的大小，当所述第一幅值大于所述第二幅值时，判断所述第一幅值和所述第二幅值的比值是否大于第一阈值；
步骤S4：若所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
2.根据权利要求1所述声波信号的探测方法，其特征在于，
在所述步骤S1中，接收N帧所述声波模拟信号，并将N帧所述声波模拟信号分别转换为N帧数字信号，N为大于等于1的整数；
对各帧所述数字信号分别按照所述步骤S2和所述步骤S3进行处理；
在所述步骤S3之后，统计N帧所述数字信号中，所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值的数字信号的数量K；
将K与第二阈值进行比较，当K大于等于所述第二阈值时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
3.根据权利要求2所述声波信号的探测方法，其特征在于，所述将K与第二阈值进行比较的步骤中，当K小于第三阈值时，确认为未探测到有效数据，并输出检测结果。
4.根据权利要求3所述声波信号的探测方法，其特征在于，所述将K与第二阈值进行比较的步骤中，当K小于所述第二阈值且大于等于所述第三阈值时，确认为探测到疑似数据，并输出检测结果。
5.根据权利要求1-4任一项所述方法，其特征在于，所述声波模拟信号通过ADC转换为数字信号。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，采用CZT算法对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述第一幅值和所述第二幅值的比值为对数比值。
8.一种声波信号的探测装置，应用于埋地燃气PE管道的定位场景中，其特征在于，包括：
声波转换模块，用于接收声波模拟信号，将所述声波模拟信号转换为数字信号；
频谱分析模块，用于对所述数字信号进行预设频域内的频谱分析，并获得第一幅值和第二幅值，其中，所述第一幅值为所述数字信号在预设频率内的平均幅值，所述第二幅值为所述数字信号在所述预设频率外的平均幅值；
判断模块，用于比较所述第一幅值和所述第二幅值的大小，当所述第一幅值大于所述第二幅值时，判断所述第一幅值和所述第二幅值的比值是否大于第一阈值；
数据确认模块，用于当所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值时，确认为探测到有效数据，并输出检测结果。
9.根据权利要求8所述声波信号的探测装置，其特征在于，所述声波转换模块还包括N个声波转换子模块，N个所述声波转换子模块用于同时将N帧声波模拟信号转换为N帧数字信号。
10.根据权利要求9所述声波信号的探测装置，其特征在于，所述判断模块还包括计数模块，用于统计N帧所述数字信号中，所述第一幅值和所述第二幅值的比值大于所述第一阈值的数字信号的数量。
CN202010115957.6A 2020-01-17 2020-02-25 一种声波信号的探测方法及装置 Pending CN111190220A (zh)

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