CN2800294Y - 用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳。其构成是通过光电复合缆将放在堤岸上的水上分机和安装在水下机器人上的水下分机连接起来，实现传输下行命令、上行数据和设备供电任务。水上分机以工控机为主结合罗经、测深仪、测距仪和多普勒声纳将由发射和接收系统、发射和接收换能器阵组成的水下分机所探测到的堤坝内部的回波信号合成为堤坝的剖面图加以显示和存储。首次以声成像的方法实现对堤坝内部结构的探测。信号的频段为10kHz～20kHz，减小了设备的尺寸和重量、提高了系统的分辨率。可广泛用于水库、江河堤坝内部安全隐患的探测，也可用于地质和考古的探测、管道的定位和海深及海底沉积层的测量和分类等。

Description

用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳

技术领域

本实用新型涉及一种用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳。

背景技术

二十世纪70年代美国ORE公司推出第一台声学浅地层剖面声纳系统用于水下探测，开启了剖面声纳的发展的先河。但是该时期的剖面声纳主要是发射CW脉冲，测量精度及方法还不是很完善，随着1991年美国Datasonics公司将调频(Chirp)技术引入剖面声纳系统，至此剖面声纳技术有了长足的发展，各个公司纷纷推出基于调频(Chirp)发射波的浅地层剖面声纳。美国Edgetech公司生产了全频率范围基于调频技术的浅地层剖面声纳(Full Spectrum Chirp Sub-BottomProfiler)，该产品将Chirp技术引入剖面声纳，其频率范围由500Hz到43.5KHz，工作深度500米，测量精度为30cm，该产品以其宽频率范围，高精度在剖面声纳领域占有很重要的地位。此外，美国Benthos公司生产的低功耗、单双频率、高分辨率、基于调频技术的浅地层剖面系统CHIRPII，可工作在600～1000米的环境，该声纳上位机处理系统采用DSP-661，具有较高的处理和计算能力，可以完成较高深度的大数据量的处理。

但是，目前的剖面声纳装置和技术中存在几个明显的缺点：首先大多数的剖面声纳安装在水面船上或在托体上，探测扫描的目标为海底，而对于堤坝这种垂直的目标则无法检测；其次为了获得更大的检测深度，工作的频段较低，因而尺寸较大，不适合在水下机器人的小平台载体上使用；再次同样是由于频带的问题，现有的剖面声纳分辨率低，对于地质分层还可以，对堤坝的安全检测来说分辨率还不够。

发明内容

为了弥补现有剖面声纳在应用范围和分辨率上的不足，本实用新型提供一种新型的剖面声纳，该剖面声纳可以方便的由ROV/AUV等水下载体携带，能以较高的分辨率探察出堤坝内部的空洞、管涌、断层等隐患。

本实用新型的构成包括放置在岸上或船上的用于完成堤坝剖面图像合成、显示和实施控制的水上分机〔1〕、安装在水下机器人上的负责探测信号的发射、接收和预处理的水下分机〔2〕、具有零浮力的光电复合缆〔3〕将水上分机〔1〕和水下分机〔2〕连接起来实现传输下行命令、上行数据和设备供电任务。

水上分机〔1〕以一台工控机〔4〕为主结合测距仪〔5〕、罗经〔6〕、多普勒声纳〔7〕、测深仪〔8〕等设备，将从水下分机〔2〕通过光电复合缆〔3〕传送上来的堤坝内部回波信号合成为堤坝主体的剖面图像通过显示器〔9〕显示出来，同时在存储器〔10〕内存储。其中工控机内插一块基于高速DSP(TMS320C64)的PCI总线的数据接收板，该处理板带有光纤接口，可以将水下分机〔2〕通过光电复合缆〔3〕送上来的串行数据传输到工控机〔4〕内。

水下分机〔2〕由发射系统〔11〕、接收系统〔12〕、发射换能器阵〔13〕和接收换能器阵〔14〕组成。

发射系统〔11〕的主要任务是完成发射脉冲波形的产生、功率放大和发射控制。它的构成包括：负责命令的接收、发射波形的产生、采集时刻控制及增益控制曲线计算的DSP(数字信号处理器)〔17〕、两个D/A(数模转换器)〔18〕和〔19〕、实现宽带匹配的发射机〔21〕，各部分之间的连接关系见附图2。

接收系统〔12〕的任务是完成对由接收换能器阵〔14〕所获得的堤坝回波信号的采集和处理。它的构成包括：差分前置放大器〔24〕、带通滤波器〔25〕、可控增益放大器〔22〕、两级放大器〔26〕、缓冲放大器〔27〕、A/D(模数转换器)〔28〕、DSP〔29〕、CPLD〔23〕和数据接口〔30〕，各部分之间的连接关系见附图3。

各部分的作用分别说明如下：

在工控机〔4〕上的显示控制软件上还可以通过键盘或鼠标输入水下发射系统〔11〕的控制命令并通过串口给出，控制命令包括：脉冲长度、功率级、启动命令、停止命令、脉冲重复频率。

水上分机〔1〕与水下分机〔2〕之间用光电复合缆〔3〕连接，串口发出的RS232电平信号由光端机〔15〕转化为光信号，在接收端再由光端机〔16〕将光信号转化为RS232电平并进一步转化为TTL电平送给DSP〔17〕。

发射机〔21〕实现功率的线性放大，脉冲功率1千瓦以上。同时又要实现与发射换能器阵〔13〕的宽带匹配。

DSP〔17〕为发射系统〔11〕的核心，负责命令的接收、发射波形的产生，采集时刻的控制和增益控制曲线的计算。

数模转换部器D/A〔18〕和〔19〕的输入端与DSP〔17〕的数据总线相连，输出端可直接送给发射机〔21〕进行放大。

由于从堤坝内部的回波非常微弱，只进行一级的放大是不够的。差分前置放大器〔24〕对接收换能器阵〔14〕输出的微弱信号进行30dB的放大，以便后续信号处理的进行。采用差分前置放大器〔24〕可以有效的抑制电缆上的共模干扰。

发射信号为10kHz～20kHz的LFM脉冲，要求带通滤波器〔25〕在10kHz～20kHz的频率范围内起伏较小，通带内外的抑制比大于40dB。

接收换能器阵〔14〕的接收信号幅度的变化非常大，首先从堤坝表面返回的声波幅度很强，与堤坝内部断层的回波信号相比至少大20dB，可控增益放大器〔22〕要对该信号有一定的抑制作用。堤坝内部对声波的吸收比较大，以20米的工作深度计算，总的声吸收会在80dB以上。回波信号波形应该是一个很强的峰(表面回波)后面跟着一个迅速衰减的曲线在可能还有一系列的小峰(断层等目标回波)。浅层剖面声纳的显示是以回波相关处理后的幅度为基础的，不进行自动增益控制，堤坝深处的图象无法显示。以信号的幅度进行自动增益控制，会丢掉回波信号的信息，只能以一定的增益曲线(堤坝内衰减曲线的倒数)进行时变增益控制，增益控制由发射系统中的DSP〔17〕给出。

由于两级放大器〔26〕输出信号可能与后面的A/D〔28〕不匹配，因此需要一个缓冲放大器〔27〕产生必要的偏置和增益。

由于信号的动态范围较大，模数转换部分采用16bit的并行A/D〔28〕，采样频率为200kHz。

回波的实时信号处理由DSP〔29〕完成，DSP〔29〕从A/D〔28〕中读取数据并将数据存储在内部的RAM中，之后进行相关计算和包络检波。

DSP〔29〕处理后的数据需要送到水上分机的工控机进行显示和存储，在调试阶段可能还需要原始数据，所有的这些数据由数据接口〔30〕完成并串转换和编码调制后送到光端机〔16〕发射。

发射换能器阵〔13〕采用28个宽带大功率振子组成，形成30°×6°指向性。

接收换能器阵〔14〕采用5组的压电陶瓷换能器棒，形成30°×30°的指向性。

本实用新型的工作原理是：

剖面声纳安装在水下机器人的载体上并与测距仪〔5〕、罗经〔6〕、多普勒声纳〔7〕、测深仪〔8〕等设备协同工作。当水下载体在与堤坝平行的平面内上下移动时，浅层剖面声纳以主动的方式工作。发射换能器基阵〔13〕重复发射脉冲声波，接收换能器阵〔14〕接收堤坝内返回的声波，接收系统〔12〕将信号放大、调理、采集后送到的DSP〔29〕进行实时处理，处理后的结果再通过光电复合缆〔3〕传给工控机〔4〕，水上分机〔1〕的显示器〔9〕显示出堤坝内的分层结构和较大的空洞等。水上分机〔1〕除了完成显示和存储外还应有良好的人机交互界面，操作者可以方便的对水下分机〔2〕的发射功率和处理增益等进行控制。

本实用新型完全可以实现对堤坝内部安全隐患的检测，可广泛用于水库、江河堤坝内部安全隐患的探测，也可用于地质和考古的探测、管道的定位和海深及海底沉积层的测量和分类等。

附图说明

图1用于堤坝安全隐患检测的高分辨率剖面声纳的结构原理框图

图2用于堤坝安全隐患检测的高分辨率剖面声纳的发射系统的电路原理结构框图

图3用于堤坝安全隐患检测的高分辨率剖面声纳的接收系统的电路原理结构框图

图4用于堤坝安全隐患检测的高分辨率剖面声纳的水下分机的发射系统部分的电路图

图5用于堤坝安全隐患检测的高分辨率剖面声纳的水下分机的接收系统部分的电路图

具体实施方式

本实用新型的水下分机安装在水下机器人上，其发射系统〔11〕和接收系统〔12〕要安装在可承受300米水深压力的仪器仓内，发射和接收换能器阵〔13〕〔14〕的信号缆通过水密插头连接到该仪器仓上。对堤坝探测前将水下分机〔2〕固定在水下机器人的前端并与堤坝相对。发射换能器阵和接收换能器阵〔13〕〔14〕安装时保持在一个平面内，并与堤坝的表面平行。如果堤坝的表面是垂直的，探测时要求机器人与堤坝保持一定的距离垂直运动。如果堤坝的表面是倾斜的，探测时要求机器人载体本身保持垂直，与堤坝保持一定的距离作斜向上的爬坡运动。同时发射和接收换能器阵〔13〕〔14〕为了保持与坝面的平行，在安装时要有一定的角度。

机器人载体携带本实用新型进入工作状态后，水下分机〔2〕加电，发射系统〔11〕和接收系统〔12〕分别引导程序后进入待机状态。启动水上分机〔1〕进入显控方式。

发射信号的脉冲宽度(脉冲宽度0.5ms、1ms、2ms)三档可选，发射声功率(功率级0～7)八档可调，脉冲重复频率最高可达8次/秒，信号的采集时刻和增益控制为可选项。

完成参数设置后，按启动命令进入探测工作模式。

水下分机〔2〕的工作流程为：发射系统的DSP〔17〕采用TI公司的TMS320F240，引导程序后等待水上分机〔1〕的命令，一旦接收到启动命令，则按照设定的参数，以一定的脉宽和频率发射声脉冲。不同长度的脉冲波形以数据的形式存储的DSP〔17〕程序中，DSP〔17〕根据水上分机〔1〕的命令，将该波型数据送到数据总线上，D/A〔19〕采用AD公司的AD565，将该数据转化为波形送给发射机〔21〕放大和发射，匹配发射后在10kHz～20kHz内，声源级达到206dB，带内起伏3dB。接收系统〔12〕的DSP〔29〕采用TI公司的TMS320C33，上电引导程序后等待发射系统〔11〕的给出的采集信号。发射系统〔11〕脉冲发射完毕后等待一段时间通过I/O〔20〕给出一个低电平，通知接收系统〔12〕开始采集。上述的等待时间由水上分机〔1〕控制，该时间要大于声脉冲往返的时间。采集信号与发射信号的拷贝进行相关运算后再做低通滤波取出包络。接收系统将原始数据、相关计算后的数据和包络的数据都通过光电复合缆〔3〕送到水上分机〔1〕。

探测工作模式时，水下分机〔2〕按照设置的参数进行工作并将探测数据通过光电复合缆〔3〕行显示和存储，这一过程是自动的。显示界面分为上下两部分。下部分为单个脉冲回波的显示，包括回波的波形显示，回波相关后的波形显示和相关后的包络显示三种，三种显示方式可通过下拉菜单选择和工具栏按钮选择。上半部分为堤坝剖面的伪彩图。白色表示回波强，蓝色表示回波弱。随着机器人的运动，剖面的伪彩图可以上下滚动。

本实用新型的优点是首次以声成像的方法实现对堤坝内部结构的探测。信号的频段为10kHz～20kHz，减小了设备的尺寸和重量、提高了系统的分辨率。可广泛用于水库、江河堤坝内部安全隐患的探测，也可用于地质和考古的探测、管道的定位和海深及海底沉积层的测量和分类等。

Claims (5)

1.一种用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳，包括水上分机〔1〕和水下分机〔2〕，其特征在于水上分机〔1〕和水下分机〔2〕通过光电复合缆〔3〕相连接；水上分机〔1〕以工控机〔4〕为主并可通过串口与测距仪〔5〕、罗经〔6〕、多普勒声纳〔7〕、测深仪〔8〕相连，还通过导线与显示器〔9〕、存储器〔10〕和光端机〔15〕相连；水下分机〔2〕由发射系统〔11〕、接收系统〔12〕、发射换能器阵〔13〕、接收换能器阵〔14〕、光端机〔16〕组成，发射系统〔11〕与发射换能器阵〔13〕和接收系统〔12〕与接收换能器阵〔14〕分别通过水密电缆相连后再与光端机〔16〕相连。

2.如权利要求1所述的用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳，其特征在于其发射系统〔11〕由DSP〔17〕、D/A〔18〕和〔19〕、发射机〔21〕组成，DSP〔17〕通过数据总线与D/A〔18〕和〔19〕相连；D/A〔19〕再和发射机〔21〕相连。

3.如权利要求1所述的用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳，其特征在于接收系统〔12〕由依次通过导线相连的差分前置放大器〔24〕、带通滤波器〔25〕、可变增益放大器〔22〕、两级放大器〔26〕、缓冲放大器〔27〕和A/D〔28〕组成和再依次通过数据总线连接的DSP〔29〕、数据接口〔30〕组成。

4.如权利要求1所述的用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳，其特征在于其发射换能器阵〔13〕采用28个宽带大功率振子组成，形成30°×6°指向性；接收换能器阵〔14〕采用5组的压电陶瓷换能器棒，形成30°×30°的指向性。

5.如权利要求1所述的用于堤坝安全检测的高分辨率剖面声纳，其特征在于水下分机〔2〕以水下机器人为载体，安装在水下机器人上。

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