CN114994689A - 基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置 - Google Patents

基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及声呐检测技术领域，尤其是涉及一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，包括驱动装置、换能器、发射机以及接收机；其中，驱动装置与换能器相连接，用于驱动换能器旋转以对管道的内部作圆周向扫描；换能器包括发射基阵以及接收基阵，且接收基阵为线阵或者面阵结构；发射机与发射基阵电连接；接收机与接收基阵电连接。本基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置有效地解决了单波束扫描管道声呐存在的问题，可实现多波束的覆盖，降低姿态变化对图像的影响，并且提高施工效率，此外，可快速实现三维点云图像拼接，保证图像不存在漏检现象。

Description

基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置
技术领域
本申请涉及声呐检测技术领域，尤其是涉及一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置。
背景技术
市政排水管道应用中，单波束扫描管道声呐的使用越来越广泛。单波束扫描管道声呐利用水中声波对水下环境结构进行扫描探测，并将排水管道的各种机械变形、缺陷、沉降、错位、断裂、淤堵反映到操控器屏幕上。该声呐使用一个高频换能器产生一个单波束，通过电机实现360°旋转扫描，获得管道一周的圆形声回波图像，再经由径向位移获得沿管道路由方向的三维声回波图像。
单波束扫描管道声呐存在的缺点在于：(1)扫描一周时间过长，工程中一般达到秒级，这使得在此期间设备姿态难以保证稳定，得到的圆形回波图像偏移过大，导致管道三维图像拼接困难，容易造成漏检。(2)沿路由方向图像覆盖率低，限制了声呐运行速度，降低了施工效率，由于单波束扫描声呐采用的是一个尖波束，旋转扫描一周只能得到一个圆形回波图像，径向图像覆盖也只有一个波束的宽度，这样设备向前运动位移则不能超过一个波束宽度的距离，也就限制了设备运行速度，降低了施工效率。(3)三维点云图像拼接困难，单波束扫描声呐单脉冲获得图像为一个点，且前后点回波图像相互独立，后期拼接野值点过多，导致点云图像拼接困难。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，在一定程度上解决了现有技术中存在的单波束扫描管道声呐所存在的技术问题。
本申请提供了一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，包括：驱动装置、换能器、发射机、接收机以及收发转换器；
其中，所述驱动装置与所述换能器相连接，用于驱动所述换能器旋转以对管道的内部作圆周向扫描；
所述换能器包括发射基阵以及接收基阵，且所述接收基阵为线阵或者面阵结构；所述发射机经由所述收发转换器与所述发射基阵电连接；所述接收机经由所述收发转换器与所述接收基阵电连接。
在上述技术方案中，进一步地，当所述换能器的接收基阵为线阵时，所述线阵沿着所述管道的径向延伸。
在上述任一技术方案中，进一步地，当所述换能器的接收基阵为线阵时，所述线阵沿着所述管道的长度方向延伸。
在上述任一技术方案中，进一步地，当所述换能器的接收基阵为面阵时，所述面阵为朝向所述管道的内壁设置的矩形面阵。
在上述任一技术方案中，进一步地，当所述换能器的接收基阵为面阵时，所述面阵为朝向所述管道的内壁设置的圆柱形面阵。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括控制与处理设备，所述控制与处理设备分别与所述驱动装置、所述发射机以及所述接收机通信连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括同步时钟，所述同步时钟与所述控制与处理设备通信连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括温深传感器，所述温深传感器与所述控制与处理设备通信连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括姿态传感器，所述姿态传感器与所述控制与处理设备通信连接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括电源以及显示触摸屏，且所述电源以及所述控制与处理设备均与所述显示触摸屏通信连接。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置有效地解决了单波束扫描管道声呐上述三个缺点，由于该声呐在圆周方向产生多个波束，单脉冲可实现多波束的覆盖，覆盖效率相较单波束提高数倍(倍数为实际产生波束个数)，可有效减小扫描一周的时长，降低姿态变化对图像的影响；本声呐装置在径向产生多个波束，电机旋转一周可产生径向多个波束的覆盖，覆盖效率相较单波束提高数倍(倍数为实际产生波束个数)，可有效提高声呐在径向的运行速度，提高施工效率；本声呐装置收集到的面声图像数据为同一脉冲、同一姿态条件下产生的，适当设置重合范围，可快速实现三维点云图像拼接，保证图像不存在漏检现象。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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为本申请实施例一提供的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置的示意图；
图2为本申请实施例一提供的换能器的接收基阵的示意图；
图3为本申请实施例二提供的换能器的接收基阵的示意图；
图4为本申请实施例三提供的换能器的接收基阵的示意图；
图5为本申请实施例四提供的换能器的接收基阵的示意图。
附图标记：
1-驱动装置，2-换能器，21-接收基阵，3-收发转换器，4-发射机，5-接收机，6-控制与处理设备，7-电源，8-同步时钟，9-温深传感器，10-姿态传感器，11-电子仓，12-显示触摸屏。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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。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申请中的具体含义。
下面参照图1至图5描述根据本申请一些实施例所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置。
参见图1和图2所示，本申请的实施例提供了一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，包括：驱动装置1、换能器2、发射机4以及接收机5；
其中，驱动装置1与换能器2相连接，用于驱动换能器2旋转以对管道的内部作圆周向扫描；
换能器2包括发射基阵以及接收基阵21，且接收基阵21为线阵结构；发射机4经由收发转换器3与发射基阵电连接；接收机5经由收发转换器3与接收基阵21电连接。
进一步，优选地，接收基阵21包括多个接收阵元，多个接收阵元排布成线阵。
结合上述可知，本基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置的工作原理如下：
驱动装置1驱动换能器2在管道内旋转，以作圆周向扫描，发射机4输出的信号则经换能器2的发射基阵辐射出去，同时由多通道接收阵元也即接收基阵21接收反射回波，经由接收机5对接收信号进行处理，再由控制与处理中心完成近场多波束形成获得线型或面型图像，图像经由水密缆送至显控终端进行显示。
可见，本基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置有效地解决了单波束扫描管道声呐上述三个缺点，由于该声呐在圆周方向产生多个波束，单脉冲可实现多波束的覆盖，覆盖效率相较单波束提高数倍(倍数为实际产生波束个数)，可有效减小扫描一周的时长，降低姿态变化对图像的影响；本声呐装置在径向产生多个波束，电机旋转一周可产生径向多个波束的覆盖，覆盖效率相较单波束提高数倍(倍数为实际产生波束个数)，可有效提高声呐在径向的运行速度，提高施工效率；本声呐装置收集到的面声图像数据为同一脉冲、同一姿态条件下产生的，适当设置重合范围，可快速实现三维点云图像拼接，保证图像不存在漏检现象。
进一步，优选地，如图2所示，当换能器2的接收基阵21为线阵时，线阵沿着管道的径向延伸，具体地，线阵包括m个接收阵元(m为大于零的整数)，m个接收阵元沿着管道的径向顺次设置。
在该实施例中，优选地，如图1所示，基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括控制与处理设备6，控制与处理设备6分别与驱动装置1、发射机4以及接收机5通信连接。
根据以上描述的结构可知，控制与处理设备6也即前述的控制与处理中心，其能够控制与其电连接的设备工作。
在该实施例中，优选地，如图1所示，基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括同步时钟8，同步时钟8与控制与处理设备6通信连接，利用同步时钟8监控收发信号的时序，或者是其他设备工作的时序。
在该实施例中，优选地，如图1所示，基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括温深传感器9，温深传感器9与控制与处理设备6通信连接。
根据以上描述的结构可知，利用温深传感器9实时监测环境的温度和深度。
在该实施例中，优选地，如图1所示，基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括姿态传感器10，姿态传感器10与控制与处理设备6通信连接。
根据以上描述的结构可知，利用姿态传感器10监测本声呐装置的姿态。
在该实施例中，优选地，如图1所示，基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括电源7以及显示触摸屏12，且电源7以及控制与处理设备6均与显示触摸屏12通信连接。
根据以上描述的结构可知，显示触摸屏12也即前述的显控终端，用于显示最终的图像，并且操作者可通过显示触摸屏12发布指令；电源7用于为控制与处理设备6以及其他设备提供电源7。
在该实施例中，优选地，如图1和图2所示，本基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括水密电子仓11，前述的发射机4、接收机5、收发转换器3、控制与处理设备6、同步时钟8、温深传感器9和电源7均设置于水密电子仓11内，起到保护上述设备的作用。
综上，本申请采用多通道波束形成技术，具体地，管道声呐采用多波束模式，在圆周方向产生多个波束或者在径向产生多个波束或者二者兼有，通过充分考虑管道场景目标距离近、远场近似不满足的情况，使得单个脉冲即可产生一个线型或面型覆盖的声回波图像。
典型的多波束近场模式回波模型可以用均匀直线阵列进行描述，假设直线阵列的阵元数为m个，阵列的中心阵元m0为参考坐标系中心，阵列沿着X轴均匀分布，且X轴坐标分别为(x1,x2,…xm),当目标s坐标为(rs，θs)时，目标到任意一个阵元的距离为:
Figure BDA0003660756950000081
若目标s空间信号为exp(jωt)，其中t为时间，j为虚数单位，ω为角频率，则第m个阵元接收的信号可以表示为：
Figure BDA0003660756950000082
其中A是与阵列相关的常数，波数
Figure BDA0003660756950000083
λ为信号波长。近场多波束形成就是对m个阵元上的进行幅度修正wm(r,θ)和精确时延τm(r,θ)，产生多个对准不同位置的波束，每个波束只在相应的方位上有着最大的信号输出。
常用的近场多波束有近场恒定波束算法、自适应近场宽带波束形成算法、最小二乘估计矢量阵近场虚拟聚焦算法和约束最小平方和近场波束算法等。
实施例二
本实施例二与实施例一的技术方案大体相同，具体的方案可参见实施例一，不同点在于：
如图3所示，换能器2的接收基阵21为线阵，且此线阵沿着管道的长度方向延伸，具体地，线阵包括n个接收阵元(n为大于零的整数)，n个接收阵元沿着管道的径向顺次设置。此结构也具有实施例一中的技术效果，在此，不再详述。
实施例三
本实施例三与实施例一的技术方案大体相同，具体的方案可参见实施例一，不同点在于：
如图4所示，换能器2的接收基阵21为面阵，且此面阵为朝向所述管道的内壁设置的矩形面阵，具体地，矩形面阵包括(m×n)接收阵元(m，n均为大于1的整数)。注意：如图4中所示，换能器2的基体是长方体结构，其朝向管道的内壁具有四个面，具体可在这四个面中的一个面上设置前述的矩形面阵，也可在两个、三个或者四个面上均设置面阵。
本方案中，发射的波束更多，覆盖范围更广，超于实施例一和实施例二所达到的效果。
实施例四
本实施例四与实施例一的技术方案大体相同，具体的方案可参见实施例一，不同点在于：
如图5所示，换能器2的接收基阵21为面阵，且此面阵为朝向管道的内壁设置的圆柱形面阵，具体地，圆柱形面阵包括(m×n)发射阵元(m，n均为大于1的整数)。
本方案中，发射的波束更多，覆盖范围更广，超于实施例一、实施例二以及实施例三所达到的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，包括：驱动装置、换能器、发射机、接收机以及收发转换器；
其中，所述驱动装置与所述换能器相连接，用于驱动所述换能器旋转以对管道的内部作圆周向扫描；
所述换能器包括发射基阵以及接收基阵，且所述接收基阵为线阵或者面阵结构；所述发射机经由所述收发转换器与所述发射基阵电连接；所述接收机经由所述收发转换器与所述接收基阵电连接。
2.根据权利要求1所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，当所述换能器的接收基阵为线阵时，所述线阵沿着所述管道的径向延伸。
3.根据权利要求1所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，当所述换能器的接收基阵为线阵时，所述线阵沿着所述管道的长度方向延伸。
4.根据权利要求1所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，当所述换能器的接收基阵为面阵时，所述面阵为朝向所述管道的内壁设置的矩形面阵。
5.根据权利要求1所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，当所述换能器的接收基阵为面阵时，所述面阵为朝向所述管道的内壁设置的圆柱形面阵。
6.根据权利要求1所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括控制与处理设备，所述控制与处理设备分别与所述驱动装置、所述发射机以及所述接收机通信连接。
7.根据权利要求6所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括同步时钟，所述同步时钟与所述控制与处理设备通信连接。
8.根据权利要求6所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括温深传感器，所述温深传感器与所述控制与处理设备通信连接。
9.根据权利要求6所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括姿态传感器，所述姿态传感器与所述控制与处理设备通信连接。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置，其特征在于，所述基于近场多波束形成技术的管道检测声呐装置还包括电源以及显示触摸屏，且所述电源以及所述控制与处理设备均与所述显示触摸屏通信连接。
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