CN115419838A - 一种水下管道声呐检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下管道声呐检测系统及方法，该系统包括透声罩、壳体、水声换能器、信号转换模块以及电路模块；电路模块包括MCU主控模块、信号转换模块、收发转换模块、以太网通信模块、接收机模块、发射机模块、电机驱动模块、零位检测模块、电源模块；通过电机驱动模块控制水声换能器对管道内部管壁360°环扫；通过零位检测模块实时监测步进电机转动参数；主控模块接收上位机指令后，控制电机驱动模块使步进电机动作，通过发射机模块对水声换能器发射特定频率和功率脉冲信号，通过接收机模块对水声换能器接收到的回波信号进行处理，并将处理后的信号输入主控模块，主控模块对接收到的信号进行水声算法后发送给上位机处理并显示管道探测结果。

Description

一种水下管道声呐检测系统及方法

技术领域

本发明属于水下管道检测技术领域，更具体地，涉及一种水下管道声呐检测系统及方法。

背景技术

城市管网指的是埋在城市各道路下面的排水排污管道和排气的管道组成起来的管道网。随着城市生活体系的不断完善，管道的铺设对人们的日常生活有着很大的影响。而随着城市管道网的使用年限逐渐增加，城市排水管道因地势或历史遗留问题逐渐增多，部分管道埋深较大、污水流速快、检测井相隔距离长、且长期处于高水位或满水的状态，传统的电视检测(CCTV)和潜望镜(QV)设备，在不封堵管道降低水位，做足预处理的情况下，检测信号传输不稳定，使用寿命短，很难对此类管道进行有效地检测，水下管道检测的效率极其低下，严重影响人们正常生活；即使是专业的蛙人下井潜水检测，也会存在较高的人员安全风险和高昂的成本费用。因此，急需一种无需排干管道内部的液体，能够在水上直观地对水下管道内物体进行探测和定位，检测信号传输稳定、检测效率高、安全风险低的水下排水管道检测装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种水下管道声呐检测系统及方法，利用声波反射原理，对水下管道内物体进行探测和定位；将水下扫描单元置于管道内部的水下，采用爬行器驱动在管道内移动；其工作时，无需排干管道内部的液体，即可形成管道的横断面图，能够直观地对管道内壁变形、破损及管底淤泥等沉积物的概况进行检测和量化分析；通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性损害，能够对管道较多数结构缺陷和管道功能缺陷起到准确的检测、测量与分析作用；能够与CCTV视频检测配合使用，实现与声纳检测合二为一，进行水上水下同时检测；能够解决传统的水下管道检测设备，在不封堵管道降低水位，做足预处理的情况下，很难对此类管道进行有效地检测，专业的蛙人下井潜水检测安全风险和成本高昂的问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种水下管道声呐检测系统，包括透声罩、与透声罩相连的壳体、设于透声罩内的水声换能器，还包括与所述水声换能器电气相连的信号转换模块和与所述信号转换模块相连的电路模块；其中，

所述电路模块包括MCU主控模块，与所述MCU主控模块相连的以太网通信模块、接收机模块、发射机模块、电机驱动模块、零位检测模块、电源模块，以及与所述信号转换模块、所述接收机模块、所述发射机模块分别相连的收发转换模块；所述电源模块与所述电机驱动模块相连；所述电机驱动模块和所述零位检测模块相连；所述电机驱动模块上还连接有电机驱动芯片和步进电机；通过所述步进电机控制所述水声换能器对管道内部管壁情况进行360°旋转环形扫描；所述零位检测模块与所述步进电机连接，用于实时监测步进电机转动的角度位置信息；所述MCU主控模块通过所述以太网通信模块与上位机相连，在接收上位机的指令后，根据上位机的指令控制所述电机驱动模块控制步进电机动作，通过所述发射机模块对所述水声换能器发射特定频率和功率的脉冲信号；通过所述接收机模块对所述水声换能器接收到的回波信号进行处理，并将处理后的信号输入所述MCU主控模块；所述MCU主控模块对接收到的信号进行水声算法后通过所述以太网通信模块发送给上位机处理并显示管道探测结果。

进一步地，所述MCU主控模块自带的模数转换器、数模转换器以及以太网phy模块，能够实现对所述接收机模块的时变增益控制和与上位机的以太网通信；

所述以太网通信模块包括phy芯片、网络变压器和以太网接口模块。

进一步地，所述透声罩用于密封、透声以及平衡水下所述壳体的内外压力；所述壳体表面进行硬性阳极处理，可耐1000米水下压力；

所述水声换能器由单波束换能器振子组成，收发合置；所述水声换能器通过联轴器固连在所述电机驱动模块连接的步进电机上，能够以0.45°的步距角扫描360度。

进一步地，所述信号转换模块与所述电路模块通过电机支架连接；

所述水声换能器与所述电机支架之间通过换能器支架连接；

所述信号转换模块与所述电机驱动模块通过电机支架连接。

进一步地，所述信号转换模块包括转接轴、依次设于所述转接轴外周的轴用挡圈、轴承、第一磁芯和第二磁芯；所述转接轴的一端与所述换能器支架连接，另一端与所述电机支架连接；

所述信号转换模块采用变压器耦合方式进行换向，保证信号线沿一个方向连续转动不会拧断；

所述信号转换模块的变压器磁芯固定在信号转换模块支架上，通过转接轴与换能器支架和电机支架连接。

进一步地，所述零位检测模块采用旋转位置传感器芯片，其表面设有集磁点，能够以非接触方式感测所施加磁通密度的水平分量。

进一步地，所述收发转换模块采用无触点二极管进行收发转换；

所述发射机模块包括滤波电路、驱动电路、功放电路和阻抗匹配单元；通过MCU主控模块控制激励信号产生后，依次通过所述发射机模块的滤波电路、驱动电路、功放电路以及阻抗匹配单元使激励信号更有效地驱动水声换能器；

所述发射机模块采用推挽式D类功放；

所述接收机模块包括信号调理、一级增益控制、二级增益控制、混频、低通滤波和信号放大。

进一步地，所述步进电机的转动速率与驱动其转动的PWM方波信号的频率成正比；

PWM方波信号的频率和脉宽由所述MCU主控模块实时更改，且与上位机界面设置的待测量程相关联；通过改变上位机上的待测量程控制所述步进电机的转动速率，依据不同管径变换步进电机转动速率，进而实现不同管径的检测。

进一步地，所述电源模块分别用于为零位检测模块、发射机模块、接收机模块、电机驱动模块、以太网通信模块以及MCU主控模块供电；

所述电源模块采用+24V直流电源供电；

所述上位机与所述以太网通信模块和所述电源模块通过6芯电缆线连接。

本发明的另一个方面提供一种管道声呐检测方法，包括如下步骤：

S1:将管道检测声呐结构搭配在ROV或水下爬行机构上，连接好通信电缆和电源,形成一个可移动的管道检测声呐结构；

S2:打开上位机显控界面，设置IP地址和端口信号；

S3:将步骤S1的可移动的管道检测声呐结构放入待测管道，通电后连接网络，使上位机的显控界面显示出待测管道内壁轮廓和图像，通过控制上位机显控界面选择不同的量程、增益及功率参数；

S4:根据上位机指示的量程选择步进电机的转速，通过MCU主控模块控制零位检测模块使步进电机归零；

S5:通过上位机下发指令，MCU主控模块接收到指令后根据指令控制电机驱动模块驱动步进电机转动，进而带动水声换能器在管道内进行360°环形扫描；同时通过零位检测模块的电磁角位置传感器实时监测步进电机转动的实时角位置信息；

S6：通过MCU主控模块控制发射机模块、信号转换模块对水声换能器发射特定频率和脉宽的PWM方波；

S7：一定延时后通过接收机模块对水声换能器接收到的回波信号进行一级增益、二级增益、混频、滤波和放大处理，并将处理后的模拟信号输送至MCU主控模块；

S8：MCU主控模块对接收到的模拟信号进行水声算法处理，并将处理数据通过以太网通信模块发送给上位机处理并显示，完成对管道的缺陷的检测；

S9:使用结束后断开网络即可停止工作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的一种水下管道声呐检测系统，利用声波反射原理，对水下管道内物体(满水或2/3以上水位)进行探测和定位；将水下扫描单元(声呐头)置于管道内部的水下(满管、半管均可)，采用爬行器驱动(可滑行、漂浮)在管道内移动；其工作时，无需排干管道内部的液体，即可形成管道的横断面图，能够直观地对管道内壁变形、破损及管底淤泥等沉积物的概况进行检测和量化分析；通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性损害，能够对管道较多数结构缺陷(如变形、塌陷、破裂、结垢、支管暗接等)和管道功能缺陷(如沉积、漂浮物)起到准确的检测、测量与分析作用；通过将本发明的管道检测声呐结构与水上的CCTV视频检测相配合使用，能够进行水上水下同时检测，是目前最为先进的管道检测和评估设备；本发明的声呐结构体积小、检测效率高，安全风险低；能够解决传统的水下管道检测设备，在不封堵管道降低水位，做足预处理的情况下，很难对此类管道进行有效地检测，专业的蛙人下井潜水检测安全风险和成本高昂的问题。

(2)本发明的一种水下管道声呐检测系统，将水声换能器通过联轴器固连在电机驱动模块连接的步进电机上，能够以0.45°的步距角扫描360度，是一款精度可达毫米级的高精度截面环扫声呐，360°旋转环形扫描管道内部管壁情况，形成直观的管道截面图；针对不同管材与管径，通过在水声换能器上连接信号转换模块和信号接收模块，通过调节声呐增益和功率，能够实现管径6000mm以下的排水管道检测；管道检测声呐可实时测量、显示排水管道的轮廓,准确定位并量化管道的缺陷，具有误差率低、便携、低功耗、稳定等优异的性能。

(3)本发明的一种水下管道声呐检测系统，信号转换模块采用变压器耦合方式进行换向，保证信号线沿一个方向连续转动不会拧断，而且信号稳定、使用持久；本发明采用信号转换模块替代常用的集电环连接方式连接，实现水声换能器可一直沿同一方向转动，达到换能器连续检测的目的；相对于常规检测过程中，换能器信号线只沿一个方向连续转动会拧断，转动一圈后需回退到固定起始位置才开始下一次检测的方式而言，本发明的方式能够提高了水声换能器的检测效率；又克服了常规滑环集电环结构接触不良、信号不稳定以及使用寿命短的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的三维结构示意图；

图2为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的原理结构示意图；

图3为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的发射机模块结构示意图；

图4为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的接收机模块结构示意图；

图5为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的信号转换模块结构示意图；

图6为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的电源模块结构示意图(图中EMC表示电磁兼容；DC表示电源；LDO表示低压差线性稳压器)；

图7为本发明实施例一种水下管道声呐检测系统的收发转换模块电路图；

图8为本发明实施例一种管道声呐检测方法的流程示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-透声罩、2-壳体、3-水声换能器、4-信号转换模块、41-转接轴、42-轴用挡圈、43-第一磁芯、44-第二磁芯、5-电路模块、51-MCU主控模块、52-收发转换模块、53-以太网通信模块、55-接收机模块、56-发射机模块、561-滤波电路、562-驱动电路、563-功放电路、564-阻抗匹配、57-电机驱动模块、58-零位检测模块、59-电源模块、6-电机支架、7-换能器支架、8-上位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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发明中的具体含义。

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地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-图7所示，本发明提供一种水下管道声呐检测系统，包括透声罩1、与透声罩1相连的壳体2、设于透声罩1内的水声换能器3，还包括与所述水声换能器3电气相连的信号转换模块4和与所述信号转换模块4相连的电路模块5；其中，所述信号转换模块4设于所述透声罩1内，所述电路模块5设于所述壳体2内；所述电路模块5包括MCU主控模块51，与所述MCU主控模块51相连的以太网通信模块53、接收机模块55、发射机模块56、电机驱动模块57、零位检测模块58、电源模块59，以及与所述信号转换模块4、所述接收机模块55、所述发射机模块56分别相连的收发转换模块52；所述信号转换模块4与所述电路模块5通过电机支架6连接；所述水声换能器3与所述电机支架6之间通过换能器支架7连接；所述水声换能器3与所述信号转换模块4电气连接；所述电源模块59还与所述电机驱动模块57相连；所述电机驱动模块57和所述零位检测模块58相连；所述信号转换模块4与所述电机驱动模块75通过电机支架6连接；所述电机驱动模块57上还连接有电机驱动芯片和步进电机；所述水声换能器3通过所述信号转换模块4固定在所述电机驱动模块57的电机支架6上；所述零位检测模块58与所述步进电机连接；所述MCU主控模块51通过所述以太网通信模块53与上位机8相连，在接收上位机8的指令后，根据上位机8的指令控制所述电机驱动模块57控制步进电机动作(量程不同转速不同)，通过所述发射机模块56对所述水声换能器3发射特定频率和功率的脉冲信号；通过所述接收机模块55对所述水声换能器3接收到的回波信号进行信号增益放大、滤波、混频等信号处理，并将处理后的模拟信号送至MCU主控模块51，通过MCU主控模块51对接收到的信号进行水声算法后通过所述以太网通信模块53发送给上位机处理并显示管道探测结果；能够解决传统的水下管道检测设备，在不封堵管道降低水位，做足预处理的情况下，很难对此类管道进行有效地检测，专业的蛙人下井潜水检测安全风险和成本高昂的问题。

进一步地，如图1和图2所示，所述透声罩1用于密封、透声以及平衡水下所述壳体2的内外压力；所述透声罩1的材料为聚亚安脂或其他同等性能的材料；所述壳体2采用6061-T6型铝材料制成，表面进行硬性阳极处理，可耐1000米水下压力；所述水声换能器3由单波束换能器振子组成，收发合置，工作频率2.25MHz，波束宽度1.4°(3dB)；所述水声换能器3通过联轴器固连在所述电机驱动模块57连接的步进电机上，并以0.45°的步距角扫描360度，能够采样800个点。

进一步地，如图2所示，所述MCU主控模块51采用32位ARM处理器，其自带的模数转换器ADC便于采集所述接收机模块55处理的模拟信号；所述MCU主控模块51自带的数模转换器DAC便于一级增益和二级增益，实现对所述接收机模块55的时变增益控制；所述MCU主控模块51自带以太网phy模块，用于实现与上位机的以太网通信；所述以太网通信模块53包括phy芯片、网络变压器和以太网接口模块。所述以太网接口模块采用高吞吐率(100M)的以太网接口芯片，能够满足声波信号快速、较大数据量的传输。

进一步地，如图2和图6所示，所述电源模块59分别用于为零位检测模块58、发射机模块56、接收机模块55、电机驱动模块57、信号调理模块54、以太网通信模块53以及MCU主控模块51供电；所述电源模块59采用+24V直流电源供电，电磁兼容(EMC)处理后经两个电源转换模块(DC转换模块)分别产生+12V和+5V电源，其中+5V电源经低压差线性稳压器(LDO)模块产生-5V和+3.3V电源；其中，+12V用于为所述发射机模块56供电，+3.3V用于为所述MCU主控模块51供电，+5V和-5V用于所述接收机模块55、所述电机驱动模块57和所述零位检测模块58供电。

进一步地，所述上位机8与所述以太网通信模块53和所述电源模块59通过6芯电缆线连接；所述6芯电缆线中2芯为与所述电源模块59连接的电源线，24V供电；4芯为与所述以太网通信模块53相连的以太网通信线；所述上位机8通电后与所述MCU主控模块51通信连接。

进一步地，如图1、图2和图5所示，所述信号转换模块4包括转接轴41、依次设于所述转接轴41外周的轴用挡圈42、第一磁芯44和第二磁芯45；所述转接轴41的一端与所述换能器支架7连接，另一端与所述电机支架6连接；所述信号转换模块4采用一种变压器耦合方式进行换向，保证信号线沿一个方向连续转动不会拧断，而且信号稳定、使用持久；所述信号转换模块4的变压器磁芯固定在信号转换模块支架上，通过所述转接轴41与所述换能器支架7和所述电机支架6连接；本发明采用所述信号转换模块4替代常用的集电环连接方式连接，实现水声换能器可一直沿同一方向转动，达到换能器连续检测的目的。相对于常规检测过程中，换能器信号线只沿一个方向连续转动会拧断，转动一圈后需回退到固定起始位置才开始下一次检测的方式而言，能够提高水声换能器的检测效率；又能克服常规滑环集电环结构接触不良、信号不稳定以及使用寿命短的缺点。

进一步地，如图2所示，所述发射机模块56包括滤波电路561、驱动电路562、功放电路563和阻抗匹配564；通过MCU主控模块控制激励信号产生后，依次通过发射机模块56的滤波电路561、驱动电路562、功放电路562以及阻抗匹配564使激励信号更有效地驱动水声换能器3；所述发射机模块56采用推挽式D类功放，该类功放具有输出效率高、易于实现宽频带发射、电路结构简单、抗干扰能力强等优点；所述MCU主控模块51产生激励信号，激励信号为脉冲个数可控的PWM(脉宽调制)方波信号，该信号经过高速MOSFET场效应管驱动芯片Q1，Q1芯片供电电压12V，推动推挽式D类功放Q2A和Q2B；变压器T1用于将原边的脉冲信号按照指定的匝数比在变压器副边输出特定幅值的交变脉冲信号；阻抗匹配是为了使发射信号更有效地驱动水声换能器3，激励信号的脉冲个数根据声呐探测量程大小可调，满足不同距离下的功率需求。

进一步地，如图2和图7所示，所述收发转换模块52包括发射机模块信号输出端、第一二极管D1、第二二极管D2、电阻R、接收机模块信号输入端、第三二极管D3、第四二极管D4；水声换能器3的一端分别和第一二极管D1、第二二极管D2以及电阻R相连,另一端和所述第三二极管D3和第四二极管D4相连；所述第一二极管D1和所述第二二极管D2并联连接，二者远离水声换能器3的一端和所述发射机模块信号输出端相连，靠近水声换能器3的一端和所述电阻R相连；所述第三二极管D3和第四二极管D4并联连接，二者远离水声换能器3的一端分别和所述电阻R和所述接收机模块信号输入端相连；所述水声换能器3与所述收发转换模块52相连；所述收发转换模块52采用无触点二极管进行收发转换；图7中OUT表示发射机模块信号输出端；IN表示接收机模块信号输入端；当水声换能器工作在发射信号状态时，由于发射机模块56输出端输出的信号很大，二极管D1、D2、D3、D4都处于导通状态，所述接收机模块55的输入信号被电阻R钳位在二极管的导通电压附近，能够有效保护接收机模块55的电路；当水声换能器工作在接收状态时，由于水声换能器的接收信号很小，二极管D1、D2、D3、D4都处于不导通的状态，即相当于电路断开，水声换能器接收到的信号将通过电阻R进入接收机模块55。

进一步地，如图2和图4所示，所述接收机模块55依次通过信号调理、一级增益控制、二级增益控制、混频、低通滤波和信号放大对水声换能器3接收到的回波信号进行处理，并将处理后的信号输入所述MCU主控模块51进行信号采集；一级增益控制和二级增益控制采用高增益压控放大器，可调节增益范围1～80dB，可调节电压-2V～0V；混频电路采用低功耗混频芯片，混频后可大大降低高频信号的采样率，提高采样精度和减少数据存储；混频后的信号再进行低通滤波处理，进一步消除信号干扰。

进一步地，如图2所示，所述电机驱动模块11由MCU主控模块、电机驱动芯片、步进电机和零位检测模块共同实现；所述步进电机为直流步进电机；通过所述MCU主控模块51控制TIM定时器输出四路不同频率和脉宽的PWM方波信号进入所述电机驱动模块57，进而控制所述步进电机的转动；所述步进电机的转动速率与驱动其转动的PWM方波信号的频率成正比，而PWM方波信号的频率和脉宽能够由所述MCU主控模块51实时更改，且与上位机界面设置的待测量程相关联；通过改变上位机上的待测量程控制所述步进电机的转动速率，进而实现依据不同管径变换步进电机转动速率，进而适用于不同管径的检测；另外，不同的测量量程，声波的回波时间不同，量程越近声波反射回波时间越快，所述步进电机转动越快，对应的PWM方波频率越高；量程越远时，声波反射回来的时间越长，根据声波反射回波的时间计算步进电机转动一周所需的时间，进而确定合适的PWM方波信号的频率和脉宽，以确保步进电机在某特定转动速率下，声波回波可被所述水声换能器3接收到(在换能器波束角范围内)而不会转过。

进一步地，作为一种可选的实施例，所述步进电机选用36BYG型、步距角为0.9°的小型步进电机，两相四线；所述电机驱动模块57选用Monolithic Linear IC LV8548MC的电机驱动芯片，低电压5V供电，可实现4/8/16/32细分，使步进电机控制更加细腻平稳；本实施例中，所述步进电机的步距角固定为0.9°，8细分，转一圈360°，需要走800步。

进一步地，如图2所示，所述零位检测模块58用于实时监测步进电机转动的角度位置信息；所述零位检测模块58采用旋转位置传感器芯片，该款单片器件可凭借其表面的集磁点(IMC)，以一种非接触方式感测所施加磁通密度的水平分量；旋转位置传感器应用这种独特的感测原理，能够在机械(气隙，轴外)容差范围内确保角位置的高度稳健性。

如图8所示，本发明的另一个方面提供一种管道声呐检测方法，包括如下步骤：

S1:将管道检测声呐结构搭配在ROV(水下机器人)或水下爬行机构上，连接好通信电缆和电源,形成一个可移动的管道检测声呐结构；

S2:打开上位机显控界面，设置iP地址和端口信号；

S3:将步骤S1的可移动的管道检测声呐结构放入待测管道，通电后连接网络，使上位机的显控界面显示出待测管道内壁轮廓和图像，通过控制上位机显控界面选择不同的量程、增益及功率参数；

S4:根据上位机指示的量程选择步进电机的转速，通过MCU主控模块控制零位检测模块使步进电机归零；

S5:通过上位机下发指令，MCU主控模块接收到指令后根据指令控制电机驱动模块驱动步进电机转动，进而带动水声换能器在管道内进行360°环形扫描；同时通过零位检测模块的电磁角位置传感器实时监测步进电机转动的实时角位置信息；

S6：通过MCU主控模块控制发射机模块、信号转换模块对水声换能器发射特定频率和脉宽的PWM方波；

S7：一定延时后通过接收机模块对水声换能器接收到的回波信号进行一级增益、二级增益、混频、滤波和放大处理，并将处理后的模拟信号输送至MCU主控模块；

S8：MCU主控模块对接收到的模拟信号进行水声算法处理，并将处理数据通过以太网通信模块发送给上位机处理并显示；完成对管道的缺陷的检测；

S9:使用结束后断开网络即可停止工作。

本发明提供的一种水下管道声呐检测系统及方法，通过MCU主控模块控制激励信号产生后通过发射机模块传输给所述收发转换模块52，触发所述收发转换模块52的发射模式启动，将激励信号通过所述信号转换模块4发射给水声换能器3，水声换能器3在进行水下声波反射后将声波返回传输到所述收发转换模块52，并启动所述收发转换模块52的接收模块，将该回波信号传输给所述接收机模块55，接收机模块55对回波信号进行处理后传输给MCU主控模块，MCU主控模块对接收机模块55处理后的回波信号进行水声算法处理后经过以太网通信模块53发送给上位机8，通过上位机8的显控模块对水下探测情况进行显示；探测过程中通过零位检测模块58的电磁角位置传感器实时监测步进电机转动的实时角位置信息；本发明能够直观地对管道内壁变形、破损及管底淤泥等沉积物的概况进行检测和量化分析；通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性损害，能够对管道较多数结构缺陷和管道功能缺陷起到准确的检测、测量与分析作用；能够与水上CCTV视频检测与声纳检测合二为一，进行水上水下同时检测；能够解决传统的水下管道检测设备，在不封堵管道降低水位，做足预处理的情况下，很难对此类管道进行有效地检测，专业的蛙人下井潜水检测安全风险和成本高昂的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下管道声呐检测系统，包括透声罩(1)、与透声罩(1)相连的壳体(2)、设于透声罩(1)内的水声换能器(3)，其特征在于：还包括

与所述水声换能器(3)电气相连的信号转换模块(4)和与所述信号转换模块(4)相连的电路模块(5)；其中，

所述电路模块(5)包括MCU主控模块(51)，与所述MCU主控模块(51)相连的以太网通信模块(53)、接收机模块(55)、发射机模块(56)、电机驱动模块(57)、零位检测模块(58)、电源模块(59)，以及与所述信号转换模块(4)、所述接收机模块(55)、所述发射机模块(56)分别相连的收发转换模块(52)；所述电源模块(59)与所述电机驱动模块(57)相连；所述电机驱动模块(57)和所述零位检测模块(58)相连；所述电机驱动模块(57)上还连接有电机驱动芯片和步进电机；通过所述步进电机控制所述水声换能器(3)对管道内部管壁情况进行360°旋转环形扫描；所述零位检测模块(58)与所述步进电机连接，用于实时监测步进电机转动的角度位置信息；所述MCU主控模块(51)通过所述以太网通信模块(53)与上位机(8)相连，在接收上位机(8)的指令后，根据上位机(8)的指令控制所述电机驱动模块(57)控制步进电机动作，通过所述发射机模块(56)对所述水声换能器(3)发射特定频率和功率的脉冲信号；通过所述接收机模块(55)对所述水声换能器(3)接收到的回波信号进行处理，并将处理后的信号输入所述MCU主控模块(51)；所述MCU主控模块(51)对接收到的信号进行水声算法后通过所述以太网通信模块(53)发送给上位机处理并显示管道探测结果。

2.根据权利要求1所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述MCU主控模块(51)自带的模数转换器、数模转换器以及以太网phy模块，能够实现对所述接收机模块(55)的时变增益控制和与上位机的以太网通信；

所述以太网通信模块(53)包括phy芯片、网络变压器和以太网接口模块。

3.根据权利要求2所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述透声罩(1)用于密封、透声以及平衡水下所述壳体(2)的内外压力；所述壳体(2)表面进行硬性阳极处理，可耐1000米水下压力；

所述水声换能器(3)由单波束换能器振子组成，收发合置；所述水声换能器(3)通过联轴器固连在所述电机驱动模块(57)连接的步进电机上，能够以0.45°的步距角扫描360度。

4.根据权利要求3所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述信号转换模块(4)与所述电路模块(5)通过电机支架(6)连接；

所述水声换能器(3)与所述电机支架(6)之间通过换能器支架(7)连接；

所述信号转换模块(4)与所述电机驱动模块(57)通过电机支架(6)连接。

5.根据权利要求4所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述信号转换模块(4)包括转接轴(41)、依次设于所述转接轴(41)外周的轴用挡圈(42)、轴承(43)、第一磁芯(44)和第二磁芯(45)；所述转接轴(41)的一端与所述换能器支架(7)连接，另一端与所述电机支架(6)连接；

所述信号转换模块(4)采用变压器耦合方式进行换向，保证信号线沿一个方向连续转动不会拧断；

所述信号转换模块(4)的变压器磁芯固定在信号转换模块支架上，通过转接轴(41)与换能器支架(7)和电机支架(6)连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述零位检测模块(58)采用旋转位置传感器芯片，其表面设有集磁点，能够以非接触方式感测所施加磁通密度的水平分量。

7.根据权利要求6所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述收发转换模块(52)采用无触点二极管进行收发转换；

所述发射机模块(56)包括滤波电路(561)、驱动电路(562)、功放电路(563)和阻抗匹配单元(564)；通过MCU主控模块控制激励信号产生后，依次通过所述发射机模块(56)的滤波电路(561)、驱动电路(562)、功放电路562以及阻抗匹配单元(564)使激励信号更有效地驱动水声换能器(3)；

所述发射机模块(56)采用推挽式D类功放；

所述接收机模块(55)包括信号调理、一级增益控制、二级增益控制、混频、低通滤波和信号放大。

8.根据权利要求7所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述步进电机的转动速率与驱动其转动的PWM方波信号的频率成正比；

PWM方波信号的频率和脉宽由所述MCU主控模块(51)实时更改，且与上位机界面设置的待测量程相关联；通过改变上位机上的待测量程控制所述步进电机的转动速率，依据不同管径变换步进电机转动速率，进而实现不同管径的检测。

9.根据权利要求8所述的一种水下管道声呐检测系统，其特征在于：所述电源模块(59)分别用于为零位检测模块(58)、发射机模块(56)、接收机模块(55)、电机驱动模块(57)、以太网通信模块(53)以及MCU主控模块(51)供电；

所述电源模块(59)采用+24V直流电源供电；

所述上位机(8)与所述以太网通信模块(53)和所述电源模块(59)通过6芯电缆线连接。

10.一种管道声呐检测方法，其特征在于，应用如权利要求1-9中任一项所述的一种水下管道声呐检测系统实现，包括如下步骤：

S1:将管道检测声呐结构搭配在ROV或水下爬行机构上，连接好通信电缆和电源,形成一个可移动的管道检测声呐结构；

S2:打开上位机显控界面，设置iP地址和端口信号；

S3:将步骤S1的可移动的管道检测声呐结构放入待测管道，通电后连接网络，使上位机的显控界面显示出待测管道内壁轮廓和图像，通过控制上位机显控界面选择不同的量程、增益及功率参数；

S4:根据上位机指示的量程选择步进电机的转速，通过MCU主控模块控制零位检测模块使步进电机归零；

S5:通过上位机下发指令，MCU主控模块接收到指令后根据指令控制电机驱动模块驱动步进电机转动，进而带动水声换能器在管道内进行360°环形扫描；同时通过零位检测模块的电磁角位置传感器实时监测步进电机转动的实时角位置信息；

S6：通过MCU主控模块控制发射机模块、信号转换模块对水声换能器发射特定频率和脉宽的PWM方波；

S7：一定延时后通过接收机模块对水声换能器接收到的回波信号进行一级增益、二级增益、混频、滤波和放大处理，并将处理后的模拟信号输送至MCU主控模块；

S8：MCU主控模块对接收到的模拟信号进行水声算法处理，并将处理数据通过以太网通信模块发送给上位机处理并显示，完成对管道的缺陷的检测；

S9:使用结束后断开网络即可停止工作。

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