CN111208519A - 一种地下管道深度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例是关于一种地下管道深度测量装置及方法。该测量方法包括：将声波发生单元和地下管道相连通，显控单元控制声波发生单元向该地下管道内的气体发出声波信号；将声波接收单元置于地面上的预设位置，接收该地下管道内气体传输至预设距离后的声波信号；声波接收单元对接收到的声波信号利用自相关滤波法滤除声噪后得到相位信息，然后显控单元接收该相位信息并利用相位差法进行数据处理得到管道深度。本实施例的装置及方法，通过声波发生单元向地下管道发出声波信号，声波接收单元接收经管道传输后的声波信号，利用自相关滤波法得到声波相位信息，显控单元利用相位差法计算出声波的相位差，并得到地下管道的深度，测量结果准确，操作简单。

Description

一种地下管道深度测量装置及方法

技术领域

本公开实施例涉及地下管线探测技术领域，尤其涉及一种地下管道 深度测量装置及方法。

背景技术

地下管道，如天然气管道的非开挖探测一直是城市建设和管网管理 中的一大难题，近些年来，业内不少厂商开展了天然气管道探测定位技 术研发，目前应用较为广泛的是听音法定位仪。

听音法定位仪的基本工作原理是：将声波信号注入充满压力燃气的 地下管道内，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， 通过声音强度的大小确定管道对应的地表面的水平位置。然而，由于声 波在地下传输时，声波的声音强度与传播距离没有绝对的比例关系，因 此，听音法不能测量地下管道的深度。

虽然听音法定位仪具有设备价格低、便携性好、操作简单等优点， 但仍然存在着探测距离近、抗干扰能力差、定位误差受限于操作手的听 力与经验等缺陷，尤其是听音法定位仪不具备管道测深能力，使得管道 定位缺失一维信息，无法实现完整定位的目标，为客户使用带来极大的 不便。

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。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式 提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种地下管道深度测量装置及方法， 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，提供一种地下管道深度测量装置， 包括：

声波发生单元：与地下管道相连通，向该地下管道内的气体发出声 波信号；

至少两个声波接收单元：位于地面上，用于接收该地下管道内经气 体传输至预设距离后的声波信号，并利用自相关滤波法进行数据处理得 到该声波信号的相位；

显控单元：与所述声波发生单元连接，用于控制所述声波发生单元 发出的声波信号，该声波信号的表征参数包括频率、相位和强度；与所 述声波接收单元连接，接收该声波接收单元输出的相位数据，利用相位 差法得到相位差，并得出管道深度。

本公开的一实施例中，所述声波发生单元包括：

发射控制模块：通过通讯模块与所述显控单元连接，接收显控单元 的命令；

信号发生模块：与所述发射控制模块连接，在发射控制模块的控制 下产生表征该声波信号的数字时间序列；

信号驱动模块：与发射控制模块和信号发生模块分别连接，信号驱 动模块接收信号发生模块发出的数字时间序列将其转换为模拟信号，并 进行放大；

气体振动器：与信号驱动模块连接，接收经信号驱动模块放大后的 模拟信号并输出为声波信号。

本公开的一实施例中，所述声波接收单元包括：

拾音器：用于接收地下管道内气体传输至预设距离后的声波信号并 输出为电信号；

模拟滤波模块：与所述拾音器连接，用于接收拾音器输出的电信号， 并对该电信号进行放大滤波处理后得到模拟信号；

模数转换器：与所述模拟滤波模块连接，接收模拟滤波模块输出的 模拟信号，并将该模拟信号转换为数字信号；

数字处理模块：通过无线通讯模块与所述显控单元连接，接收所述 显控单元的命令；与所述模数转换器和模拟滤波模块分别连接，控制所 述模拟滤波模块的放大倍数，接收所述模数转换器输出的数字信号并利 用自相关滤波法进行数据处理得到该声波信号的相位，并将相位数据发 送至所述显控单元。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种地下管道深度测量方法， 适用于上述实施例中任一所述的地下管道深度测量装置，包括：

将声波发生单元和地下管道相连通，显控单元控制声波发生单元向 该地下管道内的气体发出声波信号；

将声波接收单元置于地面上的预设位置，接收该地下管道内经气体 传输至预设距离后的声波信号；

声波接收单元对接收到的声波信号利用自相关滤波法滤除声噪后得 到声波信号在特定时刻的相位信息，然后显控单元接收该相位信息并利 用相位差法进行数据处理得到管道深度。

本公开的一实施例中，所述预设位置至少包括A、B两点，A点和B 点上均设有声波接收单元，A点位于所述地下管道顶点对应的地面上，B 点位于过A点的管道横切线上，A点和B点的距离小于等于声波波长。

本公开的一实施例中，A点位于所述地下管道的水平走向上，所述 管道的水平走向通过比幅法确定。

本公开的一实施例中，A点位于所述地下管道的水平走向上，所述 管道的水平走向通过自相关滤波法和相位差法精准确定。

本公开的一实施例中，所述自相关滤波法中的积分周期数根据声波 信号的信号质量调整：在同一位置，对已知频率的声波信号，等间隔时 间采样，计算其相位和相位差，如果得到的多个相位差相同且与采样周 期对应，则认为信号质量良好；反之如果多个相位差离散，则认为信号 质量较差，则继续增加积分周期数以改善信号质量。

本公开的一实施例中，各个声波接收单元的采样时钟均相同。

本公开的一实施例中，通过调整所述声波发生单元的输出功率和所 述声波接收单元对所述声波信号的放大倍数对测量装置的增益进行调整， 使测量装置的增益处于预设范围内。

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，通过上述装置及方法，通过声波发生单元向地 下管道发出声波信号，声波接收单元接收经管道传输后的声波信号，利 用自相关滤波法得到声波相位信息，显控单元利用相位差法计算出声波 的相位差，并得到地下管道的深度，测量结果准确，操作简单。

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地下管道深度测量装置的连接关系 示意图；

图2示出本公开示例性实施例中地下管道深度测量装置和地下管道 之间的位置关系示意图；

图3示出本公开示例性实施例中声波发生单元的连接关系示意图；

图4示出本公开示例性实施例中声波接收单元的连接关系示意图；

图5示出本公开示例性实施例中地下管道深度测量方法的流程图；

图6示出本公开示例性实施例中声波接收单元的位置布置图；

图7示出本公开示例性实施例中声波接收单元的位置布置图；

图8示出本公开示例性实施例中确定声波接收单元位置的示意图；

图9示出本公开示例性实施例中“相位差”法深度测量时采样时钟 的处理方式示意图；

图10示出本公开示例性实施例中增益调整策略图；

图11示出本公开示例性实施例中使用数字化自相关滤波法求取声波 信号相位、幅度的计算装置结构图。

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，附图仅为本公开实施例的示意性图解，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。

本示例实施方式中首先提供了一种地下管道深度测量装置，如图1 和图2所示，可以包括：声波发生单元100、至少两个声波接收单元300 和显控单元200。声波发生单元100与地下管道10相连通，向该地下管 道10内的气体发出声波信号。两个声波接收单元300位于地面上，用于 接收该地下管道10内经气体传输到预设距离后的声波信号，并利用自相关滤波法进行数据处理得到该声波信号的相位。显控单元与所述声波发 生单元连接，用于控制所述声波发生单元发出的声波信号，该声波信号 的表征参数包括频率、相位和强度；与所述声波接收单元连接，接收该 声波接收单元输出的相位数据，利用相位差法得到相位差，得到并显示 管道深度。

通过上述实施例中的声波发生单元向地下管道发出声波信号，声波 接收单元接收经管道传输后的声波信号，利用自相关滤波法得到声波相 位信息，显控单元利用相位差法计算出声波的相位差，并得到地下管道 的深度，测量结果准确，操作简单。

本公开的一实施例中，如图3所示，所述声波发生单元100可以包 括：发射控制模块101、信号发生模块102、信号驱动模块103和气体振 动器104。发射控制模块101通过通讯模块与所述显控单元200连接，接 收显控单元200的命令。信号发生模块102与所述发射控制模块101连 接，在发射控制模块101的控制下产生表征该声波信号的数字时间序列。 信号驱动模块103与发射控制模块101和信号发生模块102分别连接， 信号驱动模块103接收信号发生模块102发出的数字时间序列并转换为 模拟信号，并进行放大，放大倍数由发射控制模块101在显控单元200 的控制下进行调整。气体振动器104与信号驱动模块103连接，接收经 信号驱动模块103放大后的模拟信号并输出为声波信号。

通过本实施例中的声波发声单元产生声波并将其作用于地下管道内， 使声波信号在管道内按照预设距离进行传输，以便声波接收单元对其进 行接受处理。

更进一步地，可选的，所述信号驱动模块103包括数模变换器(DA) 和功率放大器，数模变换器接收信号发生模块102发出的数字时间序列， 功率放大器对该数字信号进行放大。

可选的，在一些实施例中，气体振动器104可以通过放散阀和地下 管道10相连通，以便对地下管道10内的气体发出声波信号使气体对该 声波信号进行传输。

可选的，在一些实施例中，如图4所示，所述声波接收单元300可 以包括：拾音器301、模拟滤波模块302、模数转换器303和数字处理模 块304。拾音器301用于接收地下管道内经气体传输至预设距离后的声波 信号并输出为电信号。模拟滤波模块302与所述拾音器301连接，用于 接收拾音器301输出的电信号，并对该电信号进行放大和滤波得到模拟 信号。模数转换器303与所述模拟滤波模块302连接，接收模拟滤波模 块302输出的模拟信号，并将该模拟信号转换为数字信号。数字处理模 块304可以是单片机，通过无线通讯模块与所述显控单元200连接，接 收所述显控单元200的命令；与所述模数转换器303和模拟滤波模块302 分别连接，控制所述模拟滤波模块302的放大倍数，接收所述模数转换 器303输出的数字信号并利用自相关滤波法进行数据处理得到该声波信 号的相位，并将相位数据发送至所述显控单元200。单片机依靠程序运行 实现声波信号的相位、幅度等计算功能。

其中的自相关滤波法会在后面详细描述。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种地下管道深度测量方法， 适用于上述实施例中任一所述的地下管道深度测量装置，如图5所示， 包括：

S1，将声波发生单元100和地下管道10相连通，显控单元200控制 声波发生单元100向该地下管道10内的气体发出声波信号；

S2，将声波接收单元300置于地面上的预设位置，接收该地下管道 10内经气体传输至预设距离后的声波信号；

S3，声波接收单元300对接收到的声波信号利用自相关滤波法滤除 声噪后得到声波信号在特定时刻的相位信息，然后显控单元200接收该 相位信息并利用相位差法进行数据处理得到管道深度。

通过声波发生单元向地下管道发出声波信号，声波接收单元接收经 管道传输后的声波信号，利用自相关滤波法得到声波相位信息，显控单 元利用相位差法计算出声波的相位差，并得到地下管道的深度，测量结 果准确，操作简单。

通常，声波发生单元100位于管道维修竖井处，以进行后续地下管 道的测深工作，不用开挖测深。预设距离即声波注入管道内的位置到管 道深度待测点之间的距离。

本公开的一实施例中，如图6所示，所述预设位置至少包括A、B 两点，A点和B点上均设有声波接收单元，A点位于所述地下管道顶点 对应的地面上，B点位于过A点的管道横切线上，A点和B点的距离小 于等于声波波长。图6a是地下管道在A点和B点的横截面示意图，图 6b是地下管道在A点和B点的俯视图。

另外，当预设位置为3个点时，如图7所示，A点和C点之间的距 离小于等于声波的波长。

本公开的一实施例中，A点位于所述地下管道的水平走向上，所述 管道的水平走向通过比幅法确定，比幅法是以管道横切线上声波信号幅度 最大点为管道位置，将使用“比幅法”得到的管道位置来作为管道的垂直 顶点会带来着较大的偏差，这一偏差直接影响到“相位差”方法的可信度。

本公开的一实施例中，A点位于所述地下管道10的水平走向上，所 述管道的水平走向通过自相关滤波法和相位差法确定。如图8所示(8a 为地下管道的横截面示意图，8b为俯视结构示意图)，E、F两点位于所 述地下管道10的两侧，E、F两点上均设有声波接收单元300；控制单元 200控制声波发生单元100向该地下管道10内的气体发出声波信号；E、 F两点上的声波接收单元300接收该地下管道10内气体传输预设距离后 的声波信号；计算E、F两点上的声波接收单元300接收到的声波信号的 相位是否相同：如果相同，则E、F两点之间连线的中间位置确定为A 点；如果不同，则继续调整E或F点的位置，直到E、F两点上的声波接收单元300接收到的声波信号的相位相同。声波接收单元300接收到 的声波信号的相位采用自相关滤波法计算得出。由以上方法即可得到管 道的水平走向。此方法中确定A点位置的方法我们称之为管道顶点校准 方法。

本公开的一实施例中，所述自相关滤波法中的积分周期根据声波信 号的信号质量调整：在同一位置，对已知频率的声波信号，等间隔时间 采样，计算其相位和相位差，如果得到的多个相位差相同且与采样周期 对应，则认为信号质量良好；反之如果多个相位差离散，则认为信号质 量较差，应继续增加积分周期数以提高信号质量。

本公开的一实施例中，各个声波接收单元的采样时钟均相同。

本公开的一实施例中，通过调整所述声波发生单元的输出功率和所 述声波接收单元对所述声波信号的放大倍数对测量装置的增益进行调整， 使测量装置的增益处于预设范围内，所述预设范围可以为40-60％，但也 不限于此。

下面对具体的计算推导过程以及原理进行详细说明：

1、相位差法测量深度的基本过程

声波发生单元100在控制单元200的控制下产生一定频率的声波信 号，声波信号在具有压力的气体(如燃气，也可以是其他气体，后面实 施例中主要以燃气地下管道为例)的地下管道内沿着管道内部向远端传 输。当声波信号作用于地下管道内的气体时，也将作用于地下管道的外 壁，以管道外的土壤为介质声波信号的部分能量传输到地表面，这时通过地面的声波接收单元300就可以捕获到声波信号的基本特征。这些基 本特征包括了信号的频率、强度和相位。同一声波信号到达地面不同位 置的时间存在着差距，其信号相位也会不同，当使用两个拾音器分别在 指定的测试点同步测量同一个声源发出的信号相位时可以得到相位差， 根据相位差求出声波信号传输的时间差，进而得到声源深度，从而得到该待测地下管道的深度。

2、相位差法测量深度的工作原理

2.1声波在土壤中的传播速度V为已知的情况下进行深度计算

如图6所示，相位差法需要对A、B二个采集点的声波接收单元(主 要是拾音器)的输出信号同时采样，管道测深必须在水平定位之后进行。 现有技术中可以对地下管道进行水平定位的方法皆可使用，例如：在地 下管道水平定位时使用声波强度比较法得到管道的水平坐标和走向。

如图6所示，将一个声波接收单元放置到地下管道的顶端A处，将 另一个声波接收单元放置于图6中B处。A、B点的确定方法在前文已描 述过，在此不再赘述。

由图6a可知，地下管道距A点的距离为R，地下管道距B点的距离 为R+R1；A、B间距为d。则有：

(R+R1)²＝R²+d² (2-1)

式中，R1为管道至A点和B点的距离差，R1的求解见下文所述。

在A、B点同一时刻测量声波相位，得到相位θ_A、θ_B，求出相位差θ_Δ。

θ_Δ＝θ_B-θ_A (2-3)

已知声源信号频率f₀，信号周期

由相位差可求出同一声源到达 A、B两点的时间差t_Δ：

θ_Δ/360＝t_Δ/T (2-4)

t_Δ＝θ_Δ/360×T (2-5)

若声波在土壤中的传播速度为V，则R1为：

R1＝V×t_Δ (2-6)

2.2声波在土壤中的传播速度V为未知的情况下进行深度计算

在测深现场声波在土壤中的传播速度由于施工方的原因往往会存在 着较大的差别，这将影响到测深的误差。为提高深度测量精度可以采用三 个接收单元的相位差法计算出声波在特定土壤中的传播速度，如图7所示。 A、B、C三点均设有声波接收单元(三个声波接收单元之间可以用连接 杆连接)，A和B、B和C之间的距离均设为d，A、C两点间距应小于等于声波波长λ，为简化计算，我们令

根据勾股定理有：

(R+R1)²＝R²+d² (2-7)

(R+R2)²＝R²+4d² (2-8)

式中，声波的波长λ为已知数，所以d也是已知数，R1为管道至A 点和B点的距离差，R2为管道至A点和C点的距离差。

当声波传输速度V不变时，距离差可由时间差t_Δ与速度V的乘积表 示：

R1＝V·t_Δ1 (2-9)

R2＝V·t_Δ2 (2-10)

将(2-9)代入(2-7)，(2-10)代入(2-8)，则

(R+V·t_Δ1)²＝R²+d² (2-11)

(R+V·t_Δ2)²＝R²+4d² (2-12)；

式(2-11)两边同乘t_Δ2，得

式(2-12)两边同乘t_Δ1，得

式(2-13，(2-14)联立求解：

由(2-15)解出的V，代入(2-6)求出距离差R1，R1代入(2-2)即 可求出管道深度R。

3、微弱声波信号相位的测量方法

同一时刻，两个不同测试点声波相位的测量值精度决定了相位差法 测量管道深度的准确性。声波相位的精度取决于声波信号的质量，然而 在管道测量工作环境中存在着大量的工程机械引起的宽谱强噪声干扰， 这些干扰使得声波信号信噪比下降，尤其在远距离测量的情况下，信号 淹没于噪声之下，相位测量精度无法得到保证。为实现对微弱声波信号 的相位精准测量有必要在相位测量的过程中对声波信号进行滤波处理。 在本方案中由于检测的声波信号是一已知固定频率的正弦信号，因此可 以采用自相关滤波算法，在滤除信号杂波的同时准确的求出信号的相位 值。

设声波发生单元输出的声波信号频率为固定频率f₀，信号的角频率 ω₀＝2πf₀。待处理的拾音器输出信号Y(t)为：

式中，E₀为直流分量；n(t)为随机噪声；

为宽频谱干扰 信号；

为来自声波发生器的声波信号，A为信号幅值。

从上式可见，拾音器输出信号Y(t)为复合信号，包括了来自声波发 生单元的信号以及各种干扰信号、噪声和直流分量。

以声波发生单元输出的声波信号的固定频率f₀建立自相关系数，自相 关系数分为正弦相关系数和余弦相关系数。

正弦相关系数：S(t)＝-Asinω₀t

A为幅值，令A＝1则：

S(t)＝-sinω₀t (3-2)

余弦相关系数：C(t)＝Acosω₀t

A为幅值，令A＝1则：

C(t)＝cosω₀t。 (3-3)

将待处理的声波信号Y(t)与自相关系数做相关处理是将声波信号Y (t)与两个自相关系数相乘，然后在声波的整数周期内积分并求平均，这 样既可得到声波分量的实部和虚部，由此求出声波信号的相位

又可抑 制其它所有分量，起到了滤波作用。以上这种利用有用信号和噪声干扰对 某相干无噪声参考信号在互相关函数上的差异来分离信号噪的滤波方法， 通常称之为自相关滤波法。

以上所述可用下面的数学运算表达：

式中，

N表示积分周期个数，为正整数。

因拾音器输出信号Y(t)为复合信号，包括了来自声波发生单元的信 号以及各种干扰信号、噪声和直流分量。根据积分运算，自相关系数组可 以分别对它们一一相乘，再在整数周期内积分并求平均后相加，即可完成 上式表达的自相关滤波法处理。

(1)直流分量E₀的相关处理：

可以得出直流分量E₀与自相关系数的相关处理后，在整周期数内内积 分为零。

(2)宽频谱干扰信号的相关处理：

宽频谱干扰信号可视为多个谐波信号和不同于f₀的异频信号的叠加， 其表达式为

为表述简便，令式中幅度B_i＝1，

这样对Σ内每项分量的相关处理：

宽频谱干扰信号与正弦相关系数S(t)做相关处理：

对cos函数的积分域为正整数周期时，积分结果为零。

同理，宽频谱干扰信号与余弦相关系数C(t)做相关处理：

对于上两式，只要取N是大于1的正整数结果即为零，即相关处理后 各种谐波和异频干扰被抑制掉。

(3)随机噪声的相关处理

根据相关理论，一个信号与随机信号相关的时间越长，平均相关值则 变得越小，亦即：

式中：ε(t)—随机量。

ε(t)值的大小取决于积分时间NT和噪声函数n(t)的统计特性，并随着 NT的增加而减少，当NT足够大时，ε(t)值趋近于零。

(4)声波信号的相关处理

实数声波信号表达式：

由三角公式可得复数表达式；

式中：

——同相分量，代表信号实部；

——正交分量，代表信号虚部。

y(t)与正弦相关系数S(t)做相关处理：

因为NT为正整数周期，所以

于是有

y(t)与余弦相关系数C(t)做相关处理：

通过以上(1)-(4)的分析，可以看出相关处理后，拾音器捕获的信 号Y(t)中的各类谐波和异频干扰信号、噪声信号及直流信号得到有效抑 制，抑制程度与积分周期个数有关，积分周期N越多，滤波效果越好。

滤波后声波信号的幅值为：

声波信号的相位为：

4、基于声波信号质量的滤波器性能调整技术

利用“相位差”方法计算管道深度，相位的精度直接影响到“相位 差”的精度，而相位的精度取决与声波信号的质量。鉴于施工现场情况 测深定位系统获得的信号质量往往较差，尤其是当声波信号发生器远离 测量地点时信号质量更差，为保证系统测量精度，所述系统提出采用自 相关滤波方法对声波信号滤波。滤波固然极大地改善了待处理信号的质 量，提升了测深结果的可信度，但是滤波处理过程将使得整个系统的处 理时间延长。

一般信号信号处理过程中，滤波器对各种信号的处理的时间是一样 的，这是由于滤波器的阶数是恒定的，换句话滤波器的结构是不变的。 而在地下管道深度测量环境下，随着现场工程机械的变化、管道施工填 土材料和工艺的变化、测量地点的变化等各种因素的影响，使得信号质 量也在发生变化。依据信号质量变化情况，实时调整滤波器结构，合理分配运算时间，提高系统运行效率，是所述系统的目的。

从自相关滤波法的运算方法中可以看出自相关滤波器可以有效的抑 制各类谐波和异频干扰信号、噪声信号及直流信号，抑制程度与积分周 期个数有关，积分周期N越多，滤波效果越好。实验证明当N为100时 自相关滤波器对谐波的抑制达40dB，对噪声的抑制可达25dB，N为1000 时自相关滤波器对谐波的抑制达60dB，对噪声的抑制可达40dB。按照 滤波器理论，中心频率固定的自相关滤波器的通频带与积分周数有关， 积分周数越大，通频带就越窄，反之就越宽。因此，滤波器的带宽可以 通过选用不同的积分周数N而非常方便地得以控制。所以当信号受到的 谐波干扰、异频干扰、噪声干扰较大信号质量很差时，直接增加周期积 分数延长积分时间，将使得滤波器带宽变窄，滤波效果增强，进而改善 信号质量。当各种干扰较小时，适当的减少周期积分数缩短积分时间， 在保证信号质量不影响相位计算精度的前提下缩短系统处理时间。

实时调整滤波器的积分周期数的依据是信号质量，判断信号质量的 最直接方法是对待处理的信号做FFT频谱分析，观察声波信号频率之外 是否存在各种其它频谱的强干扰信号，根据干扰信号的频谱分布情况选 择滤波器的带宽即自相关滤波器的积分周期数。在所述方案中为不增加 额外的计算量，仍采用“相位差”法分析信号质量。其基本思路是：在同 一位置，对已知频率的声波信号，等间隔时间采样，计算其相位。所得 到的等时间顺序相位差相同，并且由于信号的周期确定，采样周期确定， 因此相位差值值可以确定。如果多个相位差相同且与采样周期对应，即 可认为信号质量良好。反之如果相位计算结果离散，则可认为信号质量 较差。

5、基于“相位差”方法的管道顶点校准方法

计算管道深度的“相位差”方法要求多声波接收单元中的一个声波接 收单元必须垂直放置于管道顶部(即前述实施例中的A点)，此声波接收 单元将作为整个测量的基准，其位置的准确度关乎于测量结果的精准性。 管道顶部的位置可由管道水平定位给出。由于管道水平定位采用的是“比 幅法”定位，即以管道横切线上声波信号幅度最大点为管道位置。显然将 使用“比幅法”得到的管道位置来作为管道的垂直顶点会带来着较大的 偏差，这一偏差直接影响到“相位差”方法的可信度。

可以使用“相位差”法，在“比幅法”给定的管道基本位置上精确 的找到管道垂直的顶点位置，这种技术称之为燃气管道的顶点校准方法。

如图8所示，显然当地下管道处于声波接收单元连线的正中央时， 管道距声波接收单元E、F的距离相等即R1＝R2，此时从燃气管道发出的 声波到达E点和F点的时间相等，于是在地表E点测得声波信号相位与 F点相位相同，相位差为零，表示拾音器E、F连线中点即指向了管道顶 点位置。当地下管道偏离E、F拾音器连线中间点时，R1≠R2，在地表E 点测得声波信号相位与F点相位明显不同，相位差不为零，实时的沿管 道横切线调整声波接收单元的位置使得相位差逐步趋近于零，即可逼近 管道顶点位置。

6、声波信号采样同步技术

对多个不同位置的声波接收单元捕获的声波信号同时采样是“相位 差”法测量管道深度的基本条件。测深声波接收单元由三个独立的声波接 收单元，我们这里可以称声波接收单元为声波接收机，声波接收机在水 平定位工作模式时，由于使用的是声波强度比较法，所以各个声波接收 机采用了独立的采样时钟。而在深度测量时，使用的是相位比较法，必 须使用统一的采样时钟。为确保采样的同步进行，声波接收机采样时钟 采用了主从工作方式。“相位差”法深度测量时采样时钟的处理方式示 意图见图9。

请参考图9，图9中开关K采用电子开关，由各个单片机控制，开 关上所示箭头方向代表开关闭合状态。主从接收机的设置无硬性规定， 一般可将置于垂直管道顶部的接收机为“主”接收机，而另外两个接收 机为“从”接收机。主接收机接收到控制单元发出的测深启动指令后， 产生采样时钟，该时钟送“主”接收机的AD采样芯片，同时通过驱动 器及同轴电缆送入“从”接收机的AD采样芯片。这样主从接收机使用 同一采样时钟完成声波信号采样，保证了相位差测量的精度。

7、系统信号增益调整技术

相位的计算精度取决于信号的幅度，幅度过大，信号饱和无法得到 正确的相位值，幅度过小，信号数字量化有效位过低同样无法得到正确 的相位值。因此合理的调整系统增益，使得声波信号处于一个合适的状 态，是相位测量的关键。

在管道深度测量系统中声波信号发生器功率和声波接收机放大倍数 的调整需要同时兼顾，当声波发生单元输出功率调整后，必须对声波接 收机放大倍数重新调整。由于各声波接收机独立计算声波相位，因此声 波接收机放大增益不需强求一致，保证各个声波接收机的信号均处于合 理的幅度值是增益调整的正确原则。

例如，可选的，声波信号发生单元输出功率分为三档，最高挡功率 150W，中间档功率100W，最低档功率50W。声波接收机放大倍数10 档可调，每档对应放大增益3dB。系统增益调整可以由显控装置控制， 增益调整策略如图10所示，通过反复调节声波发生单元的功率以及声波 接收机(声波接收单元)的增益(放大倍数)直至两者都可以调整到合 适的范围内。

8、声波信号相位的数字化计算

声波信号在特定时刻的相位值是“相位差”运算的充分必要条件，涉 及信号相位、幅值的自相关滤波算法，该算法既正确求出了声波信号的 相位和幅值，又使信号质量得到极大改善，提高了信号信噪比，有效地 解决了微弱声波信号的相位和幅值运算。

如何在数字电路内实现相关算法是所述声波接收机的数字处理模块 需要解决的问题。

自相关滤波运算运算是声波信号对相关系数做乘积和积分，其运算 公式为：

按照数字信号处理理论，上述积分式表达的自相关滤波运算可变为累 加表达式：

累加表达式中M是在NT时间内对信号的采样个数，N表示积分周期 的数值，T为信号周期。

如果采样时钟频率为f_s，采样周期

则

用模数转换器(AD)以特定频率f_s的采样时钟对拾音器输出信号Y(t)采 样将得到Y(t_n)信号的时间序列抽样值。

Y(n)：Y(0)，Y(1)，Y(2)，Y(3)………Y(N-3)，Y(N-2)，Y(M-1)

以采样时钟周期分别数字化两组自相关滤波器系数：

式中，f₀为待处理声波信号频率。

得到声波接收单元(拾音器)输出的数字序列及数字化自相关滤波器 系数后，数字化滤波器即可表示为：

使用数字化自相关滤波求取声波信号相位、幅度的计算装置由图11 所示。

声波接收单元捕获的声波信号，经AD变换后成为一组数字序列，暂 存于存储器中。相位计算时从存储器中依次读出数字序列，与系数存储器 中的系数相乘，乘积送累加器与上一次乘积累加，累加N次后求相位

和幅值A。

整个求声波信号相位

和幅值A的滤波过程需要经过2N次乘法和2 (N-1)次加法，运算占用了单片机内部的大量资源，处理时间较长，整 个系统实时性较差，针对这一问题，本实施方案可以采用一种高效滤波器 实现方法。

由于待处理声波信号频率为f₀，选择采样频率为四倍的f₀。

即f_s＝4f₀。

这时数字化相关系数为：

逐一将n＝0，n＝1，n＝2，n＝3，n＝4，………n＝M-1代入两式，得到 两组系数序列。

S(t_n)：0，-1，0，1，0，-1，0，1，………，0，-1，0，1(8-9)

C(t_n)：1，0，-1，0，1，0，-1，0，………，1，0，-1，0(8-10)

注意系数序列从n＝4开始后均为前四个系数的循环重复，且有一半系 数为零，不为零的系数也只是1和-1，这样在滤波器运算中2N次的乘法 不再需要，而2N-2次的加法变为N次加法。这就极大的减少了滤波器运 算的运行时间，节省了硬件资源。

当f_s＝4f₀时：

式(8-11)和(8-12)描述了对固定频率声波信号自相关滤波的数字 处理方法。自相关滤波特性与与积分周期数N相关，N的大小决定了滤波 器的滤波特性。为提高测量过程的实时性，在确保测量精度的前提下调整 N的数值，以减少运算处理时间。

当f_s＝4f₀时，由于

则：

M表示待处理的数据量，对照图11可知M个数据在存储器内缓存。

选择N＝1000，N＝1000时自相关滤波器对谐波的抑制达60dB，对噪声 的抑制可达40dB。在这种滤波特性下信号质量依然没有改善，则应废弃该 组数据。

由式(8-13)得：M＝4000。

在数字处理运算中将一组M个待处理数据，分为K帧数据，K为正 整数，且每帧数据仍为信号周期T的整数倍。

令K＝10，则每帧待处理数据M＝400，每帧数据的积分周期数N＝100。

对比图11可见滤波器处理运算过程中，AD将模拟的声波信号变换为 数字信号，连续依次存储M个数据在存储器内。

运算器每次取出一帧数据进行滤波，求相位、幅值运算。当第五帧数 据运算结束后，根据相位结果，判断信号质量，如果质量良好即可认为运 算结果可信结束运算。如果信号质量较差，应提取下一帧数据继续运算， 直至信号质量较好运算质量可信为止。当10帧数据运算结束时，信号质 量没有改善则该测量失效，应考虑更换测量点位。

信号质量判断方法：由于输入声波信号和采样信号是连续的，且采样 信号的频率是声波信号的整数倍，因此每帧信号的起始相位应该相同。考 虑到信号质量的随机性对相位的影响，可采取求相位均值后计算每个相位 距离均值的方差，方差小于1°的相位数个数与总的相位个数大于0.6，即 可认为信号滤波后质量提高，计算结果可信。

通过本实施例对地下管道的深度进行测量，既正确求出了声波信号 的相位和幅值，又使信号质量得到极大改善，提高了信号信噪比，有效 地解决了微弱声波信号的相位和幅值运算。根据相位差法不用对土地进 行开挖，便可以测出地下管道的深度，方便快捷，得到的数据精确度高。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺 时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位 置关系，仅是为了便于描述本公开实施例和简化描述，而不是指示或暗示 所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本公开实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有 “第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特 征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非 另有明确具体的限定。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是 可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接 相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个 元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情 况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特 征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和 第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一 特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方 和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二 特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体 特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在 本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示 例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多 个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

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)

1.一种地下管道深度测量装置，其特征在于，包括：

声波发生单元：与地下管道相连通，向该地下管道内的气体发出声波信号；

至少两个声波接收单元：位于地面上，用于接收该地下管道内经气体传输至预设距离后的声波信号，并利用自相关滤波法进行数据处理得到该声波信号的相位；

显控单元：与所述声波发生单元连接，用于控制所述声波发生单元发出的声波信号，该声波信号的表征参数包括频率、相位和强度；与所述声波接收单元连接，接收该声波接收单元输出的相位数据，利用相位差法得到相位差，并得出管道深度。

2.根据权利要求1所述地下管道深度测量装置，其特征在于，所述声波发生单元包括：

发射控制模块：通过通讯模块与所述显控单元连接，接收显控单元的命令；

信号发生模块：与所述发射控制模块连接，在发射控制模块的控制下产生表征该声波信号的数字时间序列；

信号驱动模块：与发射控制模块和信号发生模块分别连接，信号驱动模块接收信号发生模块发出的数字时间序列并转换为模拟信号，并进行放大；

气体振动器：与信号驱动模块连接，接收经信号驱动模块放大后的模拟信号并输出为声波信号。

3.根据权利要求1或2所述地下管道深度测量装置，其特征在于，所述声波接收单元包括：

拾音器：用于接收地下管道内气体传输至预设距离后的声波信号并输出为电信号；

模拟滤波模块：与所述拾音器连接，用于接收拾音器输出的电信号，并对该电信号进行放大和滤波；

模数转换器：与所述模拟滤波模块连接，接收模拟滤波模块输出的模拟信号，并将该模拟信号转换为数字信号；

数字处理模块：通过无线通讯模块与所述显控单元连接，接收所述显控单元的命令；与所述模数转换器和模拟滤波模块分别连接，控制所述模拟滤波模块的放大倍数，接收所述模数转换器输出的数字信号并利用自相关滤波法进行数据处理得到该声波信号的相位，并将相位数据发送至所述显控单元。

4.一种地下管道深度测量方法，适用于权利要求1-3任一所述的地下管道深度测量装置，其特征在于，包括：

将声波发生单元和地下管道相连通，显控单元控制声波发生单元向该地下管道内的气体发出声波信号；

将声波接收单元置于地面上的预设位置，接收该地下管道内经气体传输至预设距离后的声波信号；

声波接收单元对接收到的声波信号利用自相关滤波法滤除声噪后得到声波信号在特定时刻的相位信息，然后显控单元接收该相位信息并利用相位差法进行数据处理得到管道深度。

5.根据权利要求4所述地下管道深度测量方法，其特征在于，所述预设位置至少包括A、B两点，A点和B点上均设有声波接收单元，A点位于所述地下管道顶点对应的地面上，B点位于过A点的管道横切线上，A点和B点的距离小于等于声波波长。

6.根据权利要求5所述地下管道深度测量方法，其特征在于，A点位于所述地下管道的水平走向上，所述管道的水平走向通过比幅法确定。

7.根据权利要求5所述地下管道深度测量方法，其特征在于，A点位于所述地下管道的水平走向上，所述管道的水平走向通过自相关滤波法和相位差法确定。

8.根据权利要求4-7任一所述地下管道深度测量方法，其特征在于，所述自相关滤波法中的积分周期数根据声波信号的信号质量调整：在同一位置，对已知频率的声波信号，等间隔时间采样，计算其相位和相位差，如果得到的多个相位差相同且与采样周期对应，则认为信号质量良好；反之如果多个相位差离散，则认为信号质量较差，则继续增加积分周期数以改善信号质量。

9.根据权利要求4所述地下管道深度测量方法，其特征在于，各个声波接收单元的采样时钟均相同。

10.根据权利要求4所述地下管道深度测量方法，其特征在于，通过调整所述声波发生单元的输出功率和所述声波接收单元对所述声波信号的放大倍数对测量装置的增益进行调整，使测量装置的增益处于预设范围内。

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