CN115793035B - 一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统及方法，包括：声波主动激励模块，用于对待测管道内的流体施加激励声波；阵列接收器模块，用于接收激励声波；声波采集预处理模块，用于采集接收的声波信号，并且对声波信号进行预处理；管线走向计算模块，用于进行声能量计算，实现地下管线走向信息的探测；管线深度计算模块，用于探测管线的深度；供电模块，用于为上述模块供电。本发明采用上述结构的基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，通过声波主动激励和阵列信号处理实现地下非金属管道走向和深度的探测，具有对非金属管线敏感、探测准确，既能获得地下管线的走向，又可以获得管线的深度，以及不易受土壤湿度影响等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下非金属管线探测技术，尤其涉及一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统及方法。
背景技术
地下管线承担着多种物质流、能源流和信息流的运输，是城市赖以生存和发展的基础设施和“生命线”。随着社会经济的发展，我国地下管线的规模有了突飞猛进的发展。非金属管线如：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、玻璃钢(FRP)、混凝土等，具有接口稳定可靠、材料抗冲击、抗开裂、抗氧化、耐老化、耐腐蚀等优点，在基础建设中获得了大量应用。目前，许多地下管道位置不明，一旦受外界破坏造成管线破坏和泄漏，将会产生严重的安全隐患，导致严重的经济损失和恶劣的社会影响。
近年来，随着科技的发展，地下金属管线的探测方法发展较为成熟，比如：金属探测仪法、示踪线法、探地雷达法、高密度电阻率法等。这些方法大都是基于电学、磁学以及电磁感应的原理衍生出来的方法，一般要求管线材料是金属，或者是给管线加装额外的金属示踪线。但是非金属管线具有不导电、不导磁的材料特性，导致金属管线探测中采用的电学和磁学方法在探测非金属管线时存在探测结果不准确、易受土壤湿度影响等问题。即地下非金属管线的精确探测还处于起步阶段，存在很多的困难和瓶颈，亟待解决。故开展地下非金属管线的探测的新装置和新方法是十分必要的，具有重要的科研意义和工程应用价值。因此，研究一种准确、便捷、迅速定位地下非金属管线的探测技术，是当下亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，通过声波主动激励和阵列信号处理实现地下非金属管线走向和深度的探测，具有对非金属管线敏感、探测准确，既能获得地下管线的走向信息，又可以获得地下管线的深度信息，以及不易受土壤湿度影响等优点。
为实现上述目的，本发明提供了基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，包括：
声波主动激励模块，用于对待测管道内的流体施加调制的、带有特殊频率特征的轴向模态激励声波，该激励声波会沿待测管道内的流体和待测管道壁面传播，并且辐射到管道外侧的土壤中；
阵列接收器模块，用于在地表接收经土壤传播到地表的激励声波；
声波采集预处理模块，用于采集上述阵列接收器模块接收的声波信号，并且对声波信号进行预处理；
管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，根据不同测量位置和不同时刻的阵列声能量分布实现地下管线走向信息的探测；
管线深度计算模块，用于根据阵列接收器模块形成的多组双曲线进行交点定位，探测管线的深度；
供电模块，用于为上述部件供电。
优选的，所述声波主动激励模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和激振器；
所述信号发生器，用于产生调制的、具有特殊频率特征的轴向模态声波信号；
所述功率放大器，用于放大声波信号，提高信噪比，并且驱动所述激振器工作；
所述激振器，安装于检修井管道出露端并用于对待测管道内部的流体进行设定的轴向模态声波激励。
优选的，所述阵列接收器模块包括阵列布置的多个低频振动传感器，所述低频振动传感器通过钎子安装在地表。
优选的，多个所述低频振动传感器按照设定的拓扑形状布置成阵列；
多个所述低频振动传感器呈十字阵列、圆形阵列或方形阵列布置。
优选的，所述低频振动传感器为单轴传感器或者多轴传感器；
优选的，所述低频振动传感器为速度传感器或者加速度传感器；
优选的，所述低频振动传感器通过耦合剂依次经与阵列形状相同的支架和所述钎子连接。
优选的，所述声波采集预处理模块，用于采集所述阵列接收器模块接收的声波信号，并且进行声波预处理。
优选的，所述管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，通过不同测量位置的声能量分布探测管线的走向；
所述管线深度计算模块，用于根据双曲线交点定位方法探测管线的埋深；
所述通讯和显示模块，用于将探测结果发送给远程监控终端并且显示探测结果。
基于声波主动激励的地下非金属管线探测装置的方法，包括以下步骤：
S1、信号发生器产生的声波信号经功率放大器放大后传送至激振器，激振器将调制的、具有特殊频率特征的声波信号耦合进待测管道内部的流体和待测管道壁面，该声波信号会沿着待测管道内部的流体和管道壁面传播，在传播过程中声波会辐射到管线上方的土壤中并且会一直传播到地表；
声波信号的表达式如下：
s(t)＝a1sin[2πf1(t-t1)]+a2sin[2πf2(t-t2)]+...+ansin[2πfn(t-tn)]
(1)
其中，f1，f2，…，fn为人工设置的频率值；a1，a2，…，an为人工设置的幅值；t1,t2,…,tn为人工设置的时间顺序；n为人工设置的波形数量；
所述轴向模态激励声波的波数k表达式如下：
其中，ω是圆频率，ω＝2πf，η是管道壁面耗损因子，cf为自由场中的声波速度，Bf为管道内部流体的体积模量，a为管道半径，h管道壁面厚度，Ep为管道杨氏模量；
S2、借助布置于地面上的阵列接收器模块接收激励声波，并将该激励声波传输至声波采集预处理模块；
S3、声波采集预处理模块接收激励声波并对其进行噪声滤除、信号放大和信号加权处理，而后传输至管线走向计算模块和管线深度计算模块；
管线走向计算具体包括以下步骤：
计算阵列接收器模块中每一个振动传感器在不同时间段的声能量：
其中，xn(t)表示阵列中第n个传感器接收的声波信号，ti和tj表示计算时间的起始时刻和结束时刻，
表示在时间段[ti,tj]内第n个传感器接收的声波信号的声能量。
通过计算阵列中所有传感器在不则测量位置和不同时间段的声能量分布，根据以下原则即可探测管线的走向：声能量最大的传感器距离管线的位置最近；在不同位置移动测量时，声能量逐渐增加说明离管线越来越近，声能量逐渐减小说明离管线越来越远，综合阵列的声能量分布即可探测出管线走向；
管线埋深计算具体包括以下步骤：
阵列中传感器接收的数据做互相关时间延迟计算公式如下：
其中，
为互相关函数，Δt12为任意两个低频振动传感器之间的时间延迟，argmax表示计算互相关函数曲线最大值对应的时间坐标，X1(ω)为其中一个低频振动传感器接收的声波信号s1(t)的频谱，X2(ω)为另一低频振动传感器接收的声波信号s2(t)的频谱；频谱计算公式如下：
根据上述计算的时间延迟，双曲线计算公式如下：
上式中，x1和y1表示其中一个低频振动传感器的横坐标和纵坐标，x2和y2表示另一低频振动传感器的横坐标和纵坐标，c表示声波的速度；
S4、管线走向计算模块和管线深度计算模块绘制管线的综合探测曲线，并且利用通讯和显示模块用于将探测结果发送给远程监控终端。
因此，本发明通过在检修井管道出露端安装激振器，激振器对管道内的流体施加调制的、带有特殊频率特征的轴向模态激励声波，该激励声波会沿管道内的流体和管道壁面传播，并且辐射到管道外侧的土壤中；再通过手持式或车载式的阵列接收器在地表的不同位置移动测量，接收到管线经土壤传播到地表的激励声波，形成探测剖面；最后通过对阵列接收器接收到的声波信号进行滤波、相关分析、声能量变化梯度分布、双曲线声源定位、曲线交点计算等处理，即可实现地下非金属管线的探测。
可知本发明具有以下有益效果；
(1)基于声学原理，避免了非金属管线不导电不导磁的影响，对非金属材料探测敏感，并且声波传播距离远、探测距离大；
(2)既能获得地下管线的走向信息、又可以获得管线的深度信息，并且不易受土壤湿度影响。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的声波主动激励模块工作原理图；
图3为本发明的呈十字形布置的阵列接收器模块布置图；
图4为本发明的实施例1的管线走向图；
图5为本发明的实施例2的管线走向图；
图6为本发明的实施例3的管线走向图；
图7为本发明的双曲线管线深度计算模块原理图；
图8为本发明的管线探测结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的实施例一种的结构示意图，如图1所示，本发明包括：
声波主动激励模块，用于对待测管道内的流体施加调制的、带有特殊频率特征的轴向模态激励声波，该激励声波会沿待测管道内的流体和待测管道壁面传播，并且辐射到管道外侧的土壤中；本实施例中的所述的调制的、具有特殊频率特征的声波信号的频率一般在低频段，比如：范围为[1Hz，5kHz]，保证信号在管线和土壤中的衰减速较小、传播距离较远。
优选的，所述声波主动激励模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和激振器；所述信号发生器，用于产生调制的、具有特殊频率特征的轴向模态声波信号；所述功率放大器，用于放大声波信号，提高信噪比，并且驱动所述激振器工作；所述激振器，安装于检修井管道出露端并用于对待测管道内部的流体进行设定的轴向模态声波激励。
阵列接收器模块，用于在地表接收经土壤传播到地表的激励声波；
优选的，所述阵列接收器模块包括阵列布置的多个低频振动传感器，所述低频振动传感器通过钎子安装在地表。优选的，多个所述低频振动传感器按照设定的拓扑形状布置成阵列；本实施例中多个所述低频振动传感器呈十字阵列、圆形阵列或方形阵列布置。且所述低频振动传感器通过耦合剂依次经与阵列形状相同的支架和所述钎子连接。钎子长度根据土壤情况(土壤类型和湿度)进行灵活调节，在一个测量位置完成测量后，形成探测剖面，通过手持或车载移动到下一个测量位置继续探测；
优选的，所述低频振动传感器为单轴传感器或者多轴传感器；且所述低频振动传感器为速度传感器或者加速度传感器；
声波采集预处理模块，用于采集上述阵列接收器模块接收的声波信号，并且对声波信号进行预处理；本实施例的预处理包括：噪声滤除、信号放大、信号加权平均等。
管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，根据不同测量位置和不同时刻的阵列声能量分布实现地下管线走向信息的探测；
图4为本发明的实施例1的管线走向图；如图4所示，实施例1：十字阵列中x轴中的振动传感器接收到的信号的声能量分布比较接近，而y轴中的振动传感器接收到的信号的声能量分布差距较大，则地下管线的走向与x轴平行；图5为本发明的实施例2的管线走向图；如图5所示，实施例2：十字阵列中y轴中的振动传感器接收到的信号声能量分布比较接近，而x轴中的振动传感器接收到的信号声能量分布差距较大，则地下管线的走向与y轴平行；图6为本发明的实施例3的管线走向图，如图6所示，实施例3：当x轴和y轴中的振动传感器接收到的信号声能量没有明显的分布关系时，管线方向在x轴和y轴之间，管线更加准确的走向可以按照上述方法，进行更多的位置的测量；
管线深度计算模块，用于根据阵列接收器模块形成的多组双曲线进行交点定位，探测管线的深度；利用阵列中多个传感器形成多组双曲线，双曲线的交点即为管线的深度位置，如图7所示；进而得到如图8所示的管线探测结果；
供电模块，用于为上述部件供电。
优选的，所述声波采集预处理模块，用于采集所述阵列接收器模块接收的声波信号，并且进行声波预处理。优选的，所述管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，通过不同测量位置的声能量分布探测管线的走向；
所述管线深度计算模块，用于根据双曲线交点定位方法探测管线的埋深；
所述通讯和显示模块，用于将探测结果发送给远程监控终端并且显示探测结果。
基于声波主动激励的地下非金属管线探测装置的方法，包括以下步骤：
S1、信号发生器产生的声波信号经功率放大器放大后传送至激振器，激振器将调制的、具有特殊频率特征的声波信号耦合进待测管道内部的流体和待测管道壁面，该声波信号会沿着待测管道内部的流体和管道壁面传播，在传播过程中声波会辐射到管线上方的土壤中并且会一直传播到地表；
声波信号的表达式如下：
s(t)＝a1sin[2πf1(t-t1)]+a2sin[2πf2(t-t2)]+...+ansin[2πfn(t-tn)](1)
其中，f1，f2，…，fn为人工设置的频率值；a1，a2，…，an为人工设置的幅值；t1,t2,…,tn为人工设置的时间顺序；n为人工设置的波形数量；
所述轴向模态激励声波的波数k表达式如下：
其中，ω是圆频率，ω＝2πf，η是管道壁面耗损因子，cf为自由场中的声波速度，Bf为管道内部流体的体积模量，a为管道半径，h管道壁面厚度，Ep为管道杨氏模量；
S2、借助布置于地面上的阵列接收器模块接收激励声波，并将该激励声波传输至声波采集预处理模块；
S3、声波采集预处理模块接收激励声波并对其进行噪声滤除、信号放大和信号加权处理，而后传输至管线走向计算模块和管线深度计算模块；
管线走向计算具体包括以下步骤：
计算阵列接收器模块中每一个振动传感器在不同时间段的声能量：
其中，xn(t)表示阵列中第n个传感器接收的声波信号，ti和tj表示计算时间的起始时刻和结束时刻，
表示在时间段[ti,tj]内第n个传感器接收的声波信号的声能量。
通过计算阵列中所有传感器在不则测量位置和不同时间段的声能量分布，根据以下原则即可探测管线的走向：声能量最大的传感器距离管线的位置最近；在不同位置移动测量时，声能量逐渐增加说明离管线越来越近，声能量逐渐减小说明离管线越来越远，综合阵列的声能量分布即可探测出管线走向；
管线埋深计算具体包括以下步骤：
阵列中传感器接收的数据做互相关时间延迟计算公式如下：
其中，
为互相关函数，Δt12为任意两个低频振动传感器之间的时间延迟，argmax表示计算互相关函数曲线最大值对应的时间坐标，X1(ω)为其中一个低频振动传感器接收的声波信号s1(t)的频谱，X2(ω)为另一低频振动传感器接收的声波信号s2(t)的频谱；频谱计算公式如下：
根据上述计算的时间延迟，双曲线计算公式如下：
上式中，x1和y1表示其中一个低频振动传感器的横坐标和纵坐标，x2和y2表示另一低频振动传感器的横坐标和纵坐标，c表示声波的速度；
S4、管线走向计算模块和管线深度计算模块绘制管线的综合探测曲线，并且利用通讯和显示模块用于将探测结果发送给远程监控终端。
因此，本发明通过在检修井管道出露端安装激振器，激振器对管道内的流体施加调制的、带有特殊频率特征的轴向模态激励声波，该激励声波会沿管道内的流体和管道壁面传播，并且辐射到管道外侧的土壤中；再通过手持式或车载式的阵列接收器在地表的不同位置移动测量，接收到管线经土壤传播到地表的激励声波，形成探测剖面；最后通过对阵列接收器接收到的声波信号进行滤波、相关分析、声能量变化梯度分布、双曲线声源定位、曲线交点计算等处理，即可实现地下非金属管线的探测；具有对非金属管线敏感、探测准确，既能获得地下管线的水平位置，又可以获得管道线的深度和走向信息，以及不易受土壤湿度影响等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：包括：
声波主动激励模块，用于对待测管道内的流体施加调制的、带有特殊频率特征的轴向模态激励声波，该激励声波会沿待测管道内的流体和待测管道壁面传播，并且辐射到管道外侧的土壤中；
阵列接收器模块，用于在地表接收经土壤传播到地表的激励声波；
声波采集预处理模块，用于采集上述阵列接收器模块接收的声波信号，并且对声波信号进行预处理；
管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，根据不同测量位置和不同时刻的阵列声能量分布实现地下管线走向信息的探测；
管线深度计算模块，用于根据阵列接收器模块形成的多组双曲线进行交点定位，探测管线的深度；
供电模块，用于为上述部件供电；
基于声波主动激励的地下非金属管线探测装置的方法，包括以下步骤：
S1、信号发生器产生的声波信号经功率放大器放大后传送至激振器，激振器将调制的、具有特殊频率特征的声波信号耦合进待测管道内部的流体和待测管道壁面，该声波信号会沿着待测管道内部的流体和管道壁面传播，在传播过程中声波会辐射到管线上方的土壤中并且会一直传播到地表；
声波信号的表达式如下：
s(t)＝a1sin[2πf1(t-t1)]+a2sin[2πf2(t-t2)]+...+ansin[2πfn(t-tn)]
(1)
其中，f1，f2，…，fn为人工设置的频率值；a1，a2，…，an为人工设置的幅值；t1,t2,…,tn为人工设置的时间顺序；n为人工设置的波形数量；
所述轴向模态激励声波的波数k表达式如下：
其中，ω是圆频率，ω＝2πf，η是管道壁面耗损因子，cf为自由场中的声波速度，Bf为管道内部流体的体积模量，a为管道半径，h管道壁面厚度，Ep为管道杨氏模量；
S2、借助布置于地面上的阵列接收器模块接收激励声波，并将该激励声波传输至声波采集预处理模块；
S3、声波采集预处理模块接收激励声波并对其进行噪声滤除、信号放大和信号加权处理，而后传输至管线走向计算模块和管线深度计算模块；
管线走向计算具体包括以下步骤：
计算阵列接收器模块中每一个振动传感器在不同时间段的声能量：
其中，xn(t)表示阵列中第n个传感器接收的声波信号，ti和tj表示计算时间的起始时刻和结束时刻，
表示在时间段[ti,tj]内第n个传感器接收的声波信号的声能量；
通过计算阵列中所有传感器在不同测量位置和不同时间段的声能量分布，根据以下原则即可探测管线的走向：声能量最大的传感器距离管线的位置最近；在不同位置移动测量时，声能量逐渐增加说明离管线越来越近，声能量逐渐减小说明离管线越来越远，综合阵列的声能量分布即可探测出管线走向；
管线埋深计算具体包括以下步骤：
阵列中传感器接收的数据做互相关时间延迟计算公式如下：
其中，
为互相关函数，Δt12为任意两个低频振动传感器之间的时间延迟，argmax表示计算互相关函数曲线最大值对应的时间坐标，X1(ω)为其中一个低频振动传感器接收的声波信号s1(t)的频谱，X2(ω)为另一低频振动传感器接收的声波信号s2(t)的频谱；频谱计算公式如下：
根据上述计算的时间延迟，双曲线计算公式如下：
上式中，x1和y1表示其中一个低频振动传感器的横坐标和纵坐标，x2和y2表示另一低频振动传感器的横坐标和纵坐标，c表示声波的速度；
S4、管线走向计算模块和管线深度计算模块绘制管线的综合探测曲线，并且利用通讯和显示模块用于将探测结果发送给远程监控终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述声波主动激励模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和激振器；
所述信号发生器，用于产生调制的、具有特殊频率特征的轴向模态声波信号；
所述功率放大器，用于放大声波信号，提高信噪比，并且驱动所述激振器工作；
所述激振器，安装于检修井管道出露端并用于对待测管道内部的流体进行设定的轴向模态声波激励。
3.根据权利要求1所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述阵列接收器模块包括阵列布置的多个低频振动传感器，所述低频振动传感器通过钎子安装在地表。
4.根据权利要求3所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：多个所述低频振动传感器按照设定的拓扑形状布置成阵列；
多个所述低频振动传感器呈十字阵列、圆形阵列或方形阵列布置。
5.根据权利要求3所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述低频振动传感器为单轴传感器或者多轴传感器。
6.根据权利要求3所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述低频振动传感器为速度传感器或者加速度传感器。
7.根据权利要求3所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述低频振动传感器通过耦合剂依次经与阵列形状相同的支架和所述钎子连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述声波采集预处理模块，用于采集所述阵列接收器模块接收的声波信号，并且进行声波预处理。
9.根据权利要求1所述的一种基于声波主动激励的地下非金属管线探测系统，其特征在于：所述管线走向计算模块，用于根据采集的阵列声波信号进行声能量计算，通过不同测量位置的声能量分布探测管线的走向；
所述管线深度计算模块，用于根据双曲线交点定位方法探测管线的埋深；
所述通讯和显示模块，用于将探测结果发送给远程监控终端并且显示探测结果。
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