CN112799125A - 一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量测绘技术领域，具体涉及一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法，包括声波探测仪和声波探测探头；声波探测仪包括液晶显示屏、内置电源、电源开关、主控处理器、探测仪通讯电路、频率切换按键和功能切换按键；声波探测探头其内部从上到下依次安装有锁绳环、缓冲软体、定位环、缓冲绳、声波拾音定向器；声波探测仪通过线缆连接声波探测探头，声波探测探头垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过所述线缆传递数据信号至声波探测仪进行图像化可视识别作业，以解决传统针对埋管探测存在误差较大，效率低、无法定深、定位不精准，还存在对人耳产生较大伤害等问题。

Description

一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法

技术领域

本发明涉及测量测绘技术领域，具体涉及一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法。

背景技术

随着科技的发展，城市建设越来越发达，配套设施也是逐步完善，人民居住都是划区域集中居住的大环境，那么针对生活配套设施中的生活所需物资也需进行集中化进行供给，这种总分的集中化分配资源方式是一种必然的生活资源分配方式，要稳健的保证配置就必须保证分配运输的完善匹配，所以海陆空的运输方式不断的完善进行稳健发展配套，包括飞机、公路、海底隧道等不断的建设开发，但这些都是我们生活常见的，而我们生活中离我更为重要的是管道的运输。

特别是针对生活用水、天然气等必需品的运输，城市建设中为了更合理的城市用地规划及环境美化，所以几乎都会把这种管道运输的城市规划进行埋管规划，这样既能实现管道运输的资源配送方式稳健发展，又能合理利用土地规划，但随着城市生活需求不断的多样化发展导致需要不断变化，包括维护等问题，往往要对已经埋管的管道进行更新或者增加新的管道，这样就需要进行提前对管道进行测量探测，包括管道的深度，管道的路线及是否存在多层管道分布等地下埋管信息进行获取，如果不能提前梳理清楚盲目施工作业，会很大概率破坏管道，导致正常供给资源的管道发生资源外泄，人民生活所需断供等大问题。

市面上的测量测绘方式还是比较传统的利用人耳进行声波识别，这对人的听觉需要较高要求，往往新手无法胜任此类岗位，而且人耳识别往往存在误差较大，效率低、无法定深、定位不精准问题，还存在对人耳产生较大伤害，所以需要一种非人耳拾音精准定位定深的探测设备解决此问题。

发明内容

基于此，有必要设计一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法，以解决传统针对埋管探测存在误差较大，效率低、无法定深、定位不精准，还存在对人耳产生较大伤害等问题。

本发明的实施例提供了可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以作为后面的详细说明的序言。

其技术方案如下：

第一方面：一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，包括声波探测仪和声波探测探头；声波探测仪包括液晶显示屏、内置电源、电源开关、主控处理器、探测仪通讯电路、频率切换按键和功能切换按键；

声波探测探头整体呈长方体锥头，上端为探头连接头，下端为锥形状压孔锥头，中部为中空长方体柱体，其内部从上到下依次安装有锁绳环、缓冲软体、定位环、缓冲绳、声波拾音定向器；

声波拾音定向器通过四组缓冲绳分别连接四组对应位置的定位环，使得声波拾音定向器悬在其内部，声波拾音定向器包含声波拾音定向电路和位于前、后、左、右、下五个端面方向的五组拾音麦克风阵列；

声波探测仪通过线缆连接声波探测探头，声波探测探头垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过所述线缆传递数据信号至声波探测仪进行图像化可视识别作业；

进一步地，液晶显示屏可同时展示五个拾音方向的声波频率、探测深度数值、倾斜角度数值。

进一步地，主控处理器为单片机集成电路芯片。

进一步地，通讯电路为具有MAX485芯片。

进一步地，声波拾音定向电路包括DSP加速处理器、九轴陀螺仪、探头通讯电路。

第二方面：一种利用可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备的探测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将声波探测仪的电源开关打开，内置电源为整个探测设备提供稳压电源，同时液晶显示屏进入工作界面；

步骤2,将声波探测探头通过线缆与声波探测仪稳定连接，根据所需要拾音获取的声波频率，调节频率切换按键，调至对应的识别拾音频率频道，并通过功能切换键的调节液晶显示屏的界面展示，界面展示包括：五个拾音方向的声波频率、探测深度数值、倾斜角度数值；

步骤3，调节完毕后，在待作业区域内随机选定一个位置，将声波探测探头竖直的压入地下，位于地下埋管会因为管内液体或气体的流速对外产生特定频率的声波，声波拾音定向器中位于前、后、左、右、下五个端面方向的五组所述拾音麦克风阵列对应地面上的南、北、西、东、正下方五个方向进行拾音作业，通过连接的所述声波拾音定向电路中的 DSP加速处理器同时接收五个方向的声波，并通过探头通讯电路将数据信号传输到声波探测仪的主控处理器中，同时声波拾音定向电路还包括有测量识别声波探测探头的倾斜角度数值的九轴陀螺仪，采集的倾斜角度数据同步输送到主控处理器；

步骤4，接收到所述声波探测探头的声波数据信号的主控处理器运算解码后在声波探测仪的液晶显示屏实时更新对应五个方向的声波频率波段，其中一个方向的声波频率较为稳定的符合加载设定频率值时，则将声波探测探头朝这个方向水平移动，移动过程中当液晶显示屏显示正下方的波段频率为最大值最稳定时则可确认所需探测的埋管位置就在正下方，随后围绕这个正下方点四个方向分别移动，获得不同方向声波频率，从而推导确认管道埋管路线；

步骤5，反复重复步骤4得到探测埋管管道路线，在埋管管道旁地面向下开一竖孔，将声波探测探头竖直放入竖孔，当液晶显示器任一方向出现最大值时则可停止向下深入，此过程中声波拾音定向电路中的九轴陀螺仪根据重力加速度原理反馈进入竖孔深度，并在液晶显示器中显示进入竖孔的深度数值，进而获得该埋管的埋深，从该竖孔中抽离探头，根据声源方向，采用逐次逼近的方法，再次压下一个孔进行作业，重复作业可得出埋管的整体埋深。

上述可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备及方法至少包括以下优点：

1，采用声波探测仪通过线缆连接声波探测探头，声波探测探头垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过线缆传递数据信号至声波探测仪进行图像化可视识别作业，探测仪接收数据信号成像可视化能大大提高作业效率，通过线缆的连接大大提高了实时灵活调整探测位置和方式。

2，采用在声波探测探头的五个方向设置五组拾音麦克风阵列的结构使得探测探头具有全方位的实时拾音，能使探测数据同时获得全方位的信号，使得声波探测仪能精准判断声波来源的具体方向，解决盲目随机测探等费时费力问题。

3，采用内置有DSP加速处理器、九轴陀螺仪、探头通讯电路的声波拾音定向电路可有效同时识别多个音频声波并作出实时信号处理，同时九轴陀螺仪还能收集倾斜角度、下探深度等信息同步实施反馈给声波探测仪实时成像，这种高效率的探测方式解决了传统探测无法探测深度及效率低下的问题。

附图说明

附图1为本发明的声波探测仪平面示意图；

附图2为本发明的声波探测探头内部结构示意图；

附图3为本发明的声波拾音定向器平面示意图；

附图4为本发明的声波拾音定向器俯视示意图；

附图5为本发明的设备线缆连接平面图；

附图6为本发明声波拾音接收及转化原理平面图；

附图7为本发明MAX485芯片中核心部分电路原理图。

附图标记说明：

声波探测仪1；液晶显示屏101；内置电源102；电源开关103；主控处理器104；探测仪通讯电路105；频率切换按键106；功能切换按键 107；声波探测探头2；锁绳环201；缓冲软体202；定位环203；缓冲绳 204；声波拾音定向器3；声波拾音定向电路301；DSP加速处理器3011；九轴陀螺仪3012；探头通讯电路3013；拾音麦克风阵列302；探头连接头4；压孔锥头5；线缆6。

具体实施方式

为使发明的上述目的、特点和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不用于在此描述的其它方式实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例影响。

同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”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，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

同时，本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“左端”、“右端”、“前端”、“后端”、“下”、“上”、“向下”、“向上”应做广义理解，例如，以附图为基准的左右前后上下向下。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明第一方面为：一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，包括声波探测仪1和声波探测探头2；声波探测仪1包括液晶显示屏101、内置电源 102、电源开关103、主控处理器104、探测仪通讯电路105、频率切换按键106和功能切换按键107；

液晶显示屏101为STM32+液晶显示屏，可同时展示拾音麦克风阵列 302的五个拾音方向的声波频率图，以及声波探测探头2下降探测深度数值、声波探测探头2作业时是否垂直水平面的倾斜角度数值；

内置电源102为内置蓄电池；

电源开关103控制内置电源的启停，同时对整体声波探测仪1及电缆6连接的声波探测探头2的作业启停；

主控处理器104为单片机集成电路芯片，主控处理器104的单片机按预设的的编码程序发送相应指令控制液晶显示屏101直接操作，显示声波探测探头2下降探测深度数值、声波探测探头2作业时是否垂直水平面的倾斜角度数值等内容；

探测仪通讯电路105与探头通讯电路3013相同的通讯电路，同样为 MAX485芯片，其主要功能就是为了信号数据的传输到主控处理器104中，其中探头通讯电路3013负责将拾音麦克风阵列302五个方向的声波信号强度的数值和信号的磁场方向数据、倾斜数据以及在下压作业时计算所得的深度L分别传输到探测仪通讯电路105再传输到主控处理器104中；

其中RXD和TXD分别连接主控处理器104(单片机)的TXD和RXD， A和B连接另一个MAX485芯片中的A和B；

频率切换按键106能对液晶显示屏101预先设定到需加载拾音显示频率的频道；

功能切换按键107能对液晶显示屏101切换显示所需展示的功能界面信息；

声波探测探头2整体呈长方体锥头，上端为探头连接头4，下端为锥形状压孔锥头5，中部为中空长方体柱体，其内部从上到下依次安装有锁绳环201、缓冲软体202、定位环203、缓冲绳204、声波拾音定向器3；

其中，线缆6穿过锁绳环201和缓冲软体202直连声波拾音定向器3。锁绳环201紧锁线缆6，在线缆6往回拉时，可由锁绳环201 锁住，防止线缆6过度抽离。

声波拾音定向器3通过四组缓冲绳204分别连接四组对应位置的定位环203，使得声波拾音定向器3悬在其内部，声波拾音定向器3包含声波拾音定向电路301和位于前、后、左、右、下五个端面方向的五组拾音麦克风阵列302；

其中声波拾音定向电路301包括DSP加速处理器3011、九轴陀螺仪 3012、探头通讯电路3013。

DSP加速处理器3011是DSP加速处理电路，其工作原理为先明确发射端，F1为原始声波(正弦波)，F2为编码波(也是特定的正弦波)， F1和F2的波峰一致(波形的幅度一样)，然后F1和F2融合成一个混合波，混合波中，正弦波部分判定为“0”，混合部分判定为“1”。信号通过传播和拾音麦克风阵列302的接收(分毫不差的接收)，到达DSP 加速处理电路处，DSP加速处理器3011就是一个高级的单片机，拥有并行处理能力，可以同时处理多个信号，也自带AD转换等功能，DSP加速处理器3011先判别信号是否如发射时的“0”值波形和“1”值波形交替，接收确认无误，即识别波形成功。然后DSP加速处理器3011对接收的该声波进行AD转换为数字信号，得到信号的强度值，DSP加速处理器3011 可同时并行处理五个方向的拾音麦克风阵列302接收的声波然后通过探头通讯电路3013，再通过线缆6连接的探测仪通讯电路105，再传输到主控处理器104中，最后在液晶显示屏101中成像显示。

九轴陀螺仪3012的方向是固定不变的，其内置有九轴电路，DSP加速处理器3011与九轴电路IIC通信，获取了设备的空间上的倾斜数据、运动的加速度和磁场数据，并作出以下分析：

1、根据磁场数据以及DSP加速处理器3011获取的五个方向的信号强度，从而对应可以印证声源的地理方向(东、南、西、北、正下方)；

2、根据九轴陀螺仪3012的倾斜数据，可以得知声波探测探头2在地面上是否水平进行作业；

3、当声波探测探头2在压入地下或竖孔的时候，DSP加速处理器 3011实时获取九轴陀螺仪3012的加速度数据a，并且记录下加速度持续的时间t，由L＝vt(其中L为下压的深度，v为速度t为时间)可得到下压的深度，又有dv＝a，速度的微分是加速度，由加速度a及加速度持续的时间t累积求和得到深度的微分，求公式的积分可得深度的值，这个值由DSP加速处理器3011来计算，从而获得深入竖孔的深度同时印证埋管深度。

声波探测仪1通过线缆6连接声波探测探头2，声波探测探头2垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过所述线缆6传递数据信号至声波探测仪1进行图像化可视识别作业；

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明第二方面为：一种利用可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备的探测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将声波探测仪1的电源开关103打开1启动内置电源102为整个探测设备提供稳压电源，同时液晶显示屏101进入工作界面；

步骤2,将声波探测探头2通过线缆6与声波探测仪1稳定连接，根据所需要拾音获取的声波频率，调节频率切换按键106，调至对应的识别拾音频率频道，并通过功能切换键107的调节液晶显示屏101的界面展示，界面展示包括：五个拾音方向的声波频率、探测深度数值、倾斜角度数值；

步骤3，调节完毕后，在待作业区域内随机选定一个位置，将声波探测探头2竖直的压入地下，位于地下埋管会因为管内液体或气体的流速对外产生特定频率的声波，声波探测探头2内的声波拾音定向器3中位于其前、后、左、右、下五个端面方向的五组拾音麦克风阵列302对应地面上的南、北、西、东、正下方五个方向进行拾音作业，通过连接的声波拾音定向电路301中的DSP加速处理器3011同时接收五个方向的声波，并通过探头通讯电路3013将数据信号传输到声波探测仪的主控处理器104中，同时声波拾音定向电路301还包括有测量识别声波探测探头2 的倾斜角度数值的九轴陀螺仪3012，同步采集的倾斜角度数据同步输送到主控处理器104；

步骤4，接收到所述声波探测探头2的声波数据信号的主控处理器 104运算解码后在声波探测仪1的液晶显示屏101实时更新对应五个方向的声波频率波段，当其中一个方向的声波频率较为稳定的符合加载设定频率值时，则将声波探测探头2朝这个方向水平移动，移动过程中当液晶显示屏101显示正下方的波段频率为最大值最稳定时则可确认所需探测的埋管位置就在正下方，随后围绕这个正下方点四个方向分别移动，获得不同方向声波频率，从而推导确认管道埋管路线；

步骤5，反复重复步骤4得到探测埋管管道路线，在埋管管道旁地面向下开一竖孔，将声波探测探头2朝竖直放入竖孔，当液晶显示屏101 任一方向出现最大值时则可停止向下深入，此过程中声波拾音定向电路 301中的九轴陀螺仪3012根据重力加速度原理反馈进入竖孔深度，并在液晶显示器101中显示进入竖孔的深度数值，进而获得该埋管的埋深，从该竖孔中抽离探头，根据声源方向，采用逐次逼近的方法，再次压下一个孔进行作业，重复作业可得出埋管的整体埋深。

采用声波探测仪1通过线缆6连接声波探测探头2，声波探测探头2垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过线缆6传递数据信号至声波探测仪1进行图像化可视识别作业，声波探测仪1接收数据信号成像可视化能大大提高作业效率，通过线缆6的连接大大提高了实时灵活调整探测位置和方式。

采用在声波探测探头2的五个方向设置五组拾音麦克风阵列302的结构使得探测探头2具有全方位的实时拾音，能使探测数据同时获得全方位的声波信号，使得声波探测仪1能精准判断声波来源的具体方向，解决盲目随机测探等费时费力问题。

采用内置有DSP加速处理器3011、九轴陀螺仪3012、探头通讯电路 3013的声波拾音定向电路301可有效同时识别多个音频声波并作出实时信号处理，同时九轴陀螺仪3012还能收集倾斜角度、下探深度等信息同步实施反馈给声波探测仪1实时成像，这种高效率的探测方式解决了传统探测无法探测深度及效率低下的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本实用并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，其特征在于，包括

声波探测仪和声波探测探头；所述声波探测仪包括液晶显示屏、内置电源、电源开关、主控处理器、探测仪通讯电路、频率切换按键和功能切换按键；

所述声波探测探头整体呈长方体锥头，上端为探头连接头，下端为锥形状压孔锥头，中部为中空长方体柱体，其内部从上到下依次安装有锁绳环、缓冲软体、定位环、缓冲绳、声波拾音定向器；

所述声波拾音定向器通过四组所述缓冲绳分别连接四组对应位置的所述定位环，使得所述声波拾音定向器悬在其内部，所述声波拾音定向器包含声波拾音定向电路和位于前、后、左、右、下五个端面方向的五组拾音麦克风阵列；

其中，所述声波探测仪通过线缆连接所述声波探测探头，所述声波探测探头垂直地面/地下竖孔内进行拾音探测，通过所述线缆传递数据信号至所述声波探测仪进行图像化可视识别作业。

2.根据权利要求1所述的可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，其特征在于：所述液晶显示屏可同时展示五个拾音方向的声波频率、探测深度数值、倾斜角度数值。

3.根据权利要求1所述的可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，其特征在于：所述主控处理器为单片机集成电路芯片。

4.根据权利要求1所述的可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，其特征在于：所述通讯电路为具有MAX485芯片。

5.根据权利要求1所述的可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备，其特征在于：所述声波拾音定向电路包括DSP加速处理器、九轴陀螺仪、探头通讯电路。

6.一种利用权利要求1所述的可在地下竖孔中对声波定向定深的探测设备的探测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，将所述声波探测仪的所述电源开关打开，所述内置电源为整个探测设备提供稳压电源，同时所述液晶显示屏进入工作界面；

步骤2，将所述声波探测探头通过所述线缆与所述声波探测仪稳定连接，根据所需要拾音获取的声波频率，调节所述频率切换按键，调至对应的识别拾音频率频道，并通过所述功能切换键的调节所述液晶显示屏的界面展示，界面展示包括：五个拾音方向的声波频率、探测深度数值、倾斜角度数值；

步骤3，调节完毕后，在待作业区域内随机选定一个位置，将所述声波探测探头竖直的压入地下，位于地下埋管会因为管内液体或气体的流速对外产生特定频率的声波，所述声波拾音定向器中位于前、后、左、右、下五个端面方向的五组所述拾音麦克风阵列对应地面上的南、北、西、东、正下方五个方向进行拾音作业，通过连接的所述声波拾音定向电路中的所述DSP加速处理器同时接收五个方向的声波，并通过所述探头通讯电路将数据信号传输到所述声波探测仪的所述主控处理器中，同时所述声波拾音定向电路还包括有测量识别所述声波探测探头的倾斜角度数值的所述九轴陀螺仪，采集的倾斜角度数据同步输送到所述主控处理器；

步骤4，接收到所述声波探测探头的声波数据信号的所述主控处理器运算解码后在所述声波探测仪的所述液晶显示屏实时更新对应五个方向的声波频率波段，其中一个方向的声波频率较为稳定的符合加载设定频率值时，则将所述声波探测探头朝这个方向水平移动，移动过程中当所述液晶显示屏显示正下方的波段频率为最大值最稳定时则可确认所需探测的埋管位置就在正下方，随后围绕这个正下方点四个方向分别移动，获得不同方向声波频率，从而推导确认管道埋管路线；

步骤5，反复重复步骤4得到探测埋管管道路线，在埋管管道旁地面向下开一竖孔，将所述声波探测探头竖直放入竖孔，当所述液晶显示器任一方向出现最大值时则可停止向下深入，此过程中所述声波拾音定向电路中的所述九轴陀螺仪根据重力加速度原理反馈进入竖孔深度，并在所述液晶显示器中显示进入竖孔的深度数值，进而获得该埋管的埋深，从该竖孔中抽离探头，根据声源方向，采用逐次逼近的方法，再次压下一个孔进行作业，重复作业可得出埋管的整体埋深。

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