CN117055093A - 基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法 - Google Patents

基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法 Download PDF

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CN117055093A CN202310911913.8A CN202310911913A CN117055093A CN 117055093 A CN117055093 A CN 117055093A CN 202310911913 A CN202310911913 A CN 202310911913A CN 117055093 A CN117055093 A CN 117055093A
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Abstract

本发明公开了基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法,包括:声源模块;土壤参数预估模块;声阵列接收模块;声信号处理模块;椭圆轨迹计算和绘制模块,用于根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;管线探测结果显示模块,用于显示地下非金属管线的探测结果;通讯和供电模块。本发明采用上述基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法,可基于声学原理对非金属材料探测,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,并且具有声波传播距离远、探测距离大的优点。

Description

基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法
技术领域
本发明涉及地下非金属管线探测技术领域,尤其涉及基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法。
背景技术
现阶段,城市地上空间的基础设施日益拥挤,对地下空间的高效利用成为城市未来发展和探索的重要方向。地下管线承担着城市运行所需的各种能源和信息的运输和传递任务,是城市赖以生存和发展的重要基础设施,相当于城市的“血管和生命线”。
地下管线探测技术在开发和利用地下空间、收集和探测地下管线信息、制定地下管线铺设和维修规划等领域发挥着不可或缺的作用。因此,研究地下管线的探测技术,对城市的建设和发展具有重要的意义。
同时,随着科学技术的发展,常规的金属材料管线(简称金属管线)逐渐被非金属材料管线(简称非金属管线)替代。非金属管线如:聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、混凝土等,具有不易氧化、耐腐蚀、抗老化等优点,已经在城市基础建设中获得了大量应用。
由于金属管线具有良好的导电性和导磁性,故目前地下金属管线的探测方法已经比较成熟,比如:金属探测仪、电场法、磁场法、探地雷达法等基于电学、磁学以及电磁感应原理的方法,此类方法要求地下管线具有较好的导电性和导磁性。但是非金属管线具有不导电、不导磁的材料属性,所以金属管线探测中经常采用的上述电学和磁学方法,在应用到非金属管线探测时,存在误差较大、效果不好等问题。目前,地下非金属管线的精确探测还处于起步阶段,仍然存在很多困难和瓶颈问题,亟待研究解决。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法,可基于声学原理对非金属材料探测,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,并且具有声波传播距离远、探测距离大的优点。
为实现上述目的,本发明提供了基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,包括:
声源模块,用于产生设定频率特征的声波振动信号并发射;
土壤参数预估模块,用于根据土壤类型预估探测需要的土壤参数;
声阵列接收模块,用于接收土壤-管线界面反射回地表的声波振动信号;
声信号处理模块,用于对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
椭圆轨迹计算和绘制模块,用于根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
管线探测结果显示模块,用于显示地下非金属管线的探测结果;
通讯和供电模块,用于为上述模块提供通讯和供电功能。
优选的,声源模块包括依次串联的信号发生器、功率放大器、激振器和声波耦合器;
信号发生器,用于产生调制的、具有设定频率特征的电信号;
功率放大器,用于将信号发生器产生的电信号放大,提高电信号的信噪比,并且驱动激振器工作;
激振器,用于将上述电信号转化为对应的设定频率特征的声波振动信号;
声波耦合器,用于将上述声波振动信号耦合进土壤。
优选的,声波振动信号频率包括:低频[1Hz,500Hz]和高频[500Hz,2000Hz]两种声波模式,声波振动信号类型包括:单频信号、多频信号、脉冲信号、扫频信号中的一种及其任意组合。
优选的,土壤类型包括砂质土、黏质土、壤土,土壤参数包括土壤密度、泊松比、土壤声波速度。
优选的,声阵列接收模块包括线性呈阵列均匀或非均匀布置的多个声传感器,声传感器为速度型传感器或者加速度型传感器;
多个声传感器均与声源模块位于同一直线上。
基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,包括以下步骤:
S1、利用声源模块产生设定频率特征的声波振动信号,并将声波振动信号耦合进土壤;
S2、声波振动信号沿土壤传播,直至接触非金属管线表面,借助土壤和非金属管线之间存在的声阻抗差异,发生反射;
S3、利用声信号处理模块对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
S4、利用椭圆轨迹计算和绘制模块根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
S5、利用管线探测结果显示模块显示由椭圆轨迹计算和绘制模块获得的地下非金属管线位置的埋设深度和水平坐标。
优选的,步骤S2中所述的声强反射系数R计算公式如下:
式中,Z1和Z2分别为土壤和管线的声阻抗率。
优选的,在步骤S2中利用土壤参数预估模块根据土壤类型预估探测需要的土壤参数,其中土壤密度和泊松比通过土壤类型查表获得,土壤声波速计算公式如下所示:
式中,Vp(f)fast、Vp(f)slow、Vs(f)分别为土壤中的快纵波、慢纵波和横波的传播速度,CM、CF分别为土壤固体相的压缩系数和流体相的压缩系数,ρM、ρF分别为固体相的密度和流体相的密度,f为传播频率,G为土壤剪切模量,β为取值范围为[0.1,2]的调节系数;
优选的,步骤S3所述的处理包括噪声滤除、杂波抑制、信号放大、交叉分析、相关分析和时延估计;
以声源和任意一个声传感器为例,时延估计计算公式如下:
式中,τi为时延估计值,X0为声源的频谱,X1 *为此声传感器的频谱,ω为角频率,Gx0x1(ω)为声源和声传感器的互谱,β为取值范围为[0,1]的调节系数,j表示虚数,t表示时间。
优选的,步骤S4具体包括以下步骤:
S41、声距计算,其计算公式如下:
Di=V*τi (6)
式中,V为快纵波的传播速度、慢纵波的传播速度或者横波的传播速度;
S42、以单个激励源为例,绘制椭圆轨迹,椭圆标准方程如下:
式中,c为声源和某个声传感器之间距离的一半,a为声距Di的一半,x为平面直角坐标系横轴,y为平面直角坐标系纵轴;
S43、由于椭圆轨迹数量与声传感器数量一致,获得多个声传感器对应的多条椭圆轨迹,多条椭圆轨迹相交形成的交点区域即为探测的地下非金属管线的位置。
本发明具有以下有益效果:
1、通过声波的发射和接收、声波信号处理、椭圆轨迹绘制等方法实现地下非金属管线的探测成像,声源模块和声传感阵列都安装在地表,具有不需要开挖土壤、不需要接触管线、对非金属管线敏感、探测准确、探测结果可视化等优点;
2、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;
3、既能获得地下非金属管线的水平位置、又可以获得非金属管线的深度信息,探测结果可视化成像。
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为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的结构框图;
图2为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法的流程图;
图3为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声波主动激励模块示意图;
图4为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的单频信号时域图;
图5为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的单频信号频域图;
图6为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的多频信号时域图;
图7为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的多频信号频域图;
图8为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的脉冲信号时域图;
图9为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的脉冲信号频域图;
图10为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的扫频信号时域图;
图11为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声源模块发射的扫频信号频域图;
图12为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的声阵列接收模块布置图;
图13为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的2个声传感器布置图;
图14为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的4个声传感器布置图;
图15为本发明的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的探测结果图。
具体实施方式
为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例,并不用于限定本发明实施例。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的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。所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“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,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,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发明的限制。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“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发明中的具体含义。
如图1-图15所示,基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,包括:
声源模块,用于产生设定频率特征的声波振动信号并发射;本实施例中的声波振动信号为频率成分确定并且人工可控的声波信号。优选的,声源模块包括依次串联的信号发生器、功率放大器、激振器和声波耦合器;信号发生器,用于产生调制的、具有设定频率特征的电信号;功率放大器,用于将信号发生器产生的电信号放大,提高电信号的信噪比,并且驱动激振器工作;激振器,用于将上述电信号转化为对应的设定频率特征的声波振动信号;声波耦合器,用于将上述声波振动信号耦合进土壤。
优选的,声波振动信号频率包括:低频[1Hz,500Hz]和高频[500Hz,2000Hz]两种声波模式,其中低频声波模式具有穿透土壤距离深的优点,用于初步的粗略探测,高频声波模式具有空间分辨率高的优点,用于进一步的精细化探测;声波振动信号类型包括:单频信号、多频信号、脉冲信号、扫频信号中的一种及其任意组合。
土壤参数预估模块,用于根据土壤类型预估探测需要的土壤参数;优选的,土壤类型包括砂质土、黏质土、壤土,土壤参数包括土壤密度、泊松比、土壤声波速度。
声阵列接收模块,用于接收土壤-管线界面反射回地表的声波振动信号;优选的,声阵列接收模块包括线性呈阵列均匀或非均匀布置的多个声传感器,声传感器为速度型传感器或者加速度型传感器;多个声传感器均与声源模块位于同一直线上。
声信号处理模块,用于对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
椭圆轨迹计算和绘制模块,用于根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
管线探测结果显示模块,用于显示地下非金属管线的探测结果;
通讯和供电模块,用于为上述模块提供通讯和供电功能。
基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,包括以下步骤:
S1、利用声源模块产生设定频率特征的声波振动信号,并将声波振动信号耦合进土壤;
S2、声波振动信号沿土壤传播,直至接触非金属管线表面,借助土壤和非金属管线之间存在的声阻抗差异,发生反射;
优选的,步骤S2中所述的声强反射系数R计算公式如下:
式中,Z1和Z2分别为土壤和管线的声阻抗率。
优选的,在步骤S2中利用土壤参数预估模块根据土壤类型预估探测需要的土壤参数,其中土壤密度和泊松比通过土壤类型查表获得,土壤声波速计算公式如下所示:
式中,Vp(f)fast、Vp(f)slow、Vs(f)分别为土壤中的快纵波、慢纵波和横波的传播速度,CM、CF分别为土壤固体相的压缩系数和流体相的压缩系数,ρM、ρF分别为固体相的密度和流体相的密度,f为传播频率,G为土壤剪切模量,β为取值范围为[0.1,2]的调节系数;在本实施例中可根据声波传播方向的土壤密度、土壤泊松比、土壤湿度、土壤孔隙度等土壤实际情况进行设置调节系数,比如土壤松散,调节系数小于1,土壤紧实,调节系数大于1;
S3、利用声信号处理模块对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
优选的,步骤S3所述的处理包括噪声滤除、杂波抑制、信号放大、交叉分析、相关分析和时延估计;
以声源和任意一个声传感器为例,时延估计计算公式如下:
式中,τi为时延估计值,X0为声源的频谱,X1 *为此声传感器的频谱,ω角频率,Gx0x1(ω)为声源和声传感器的互谱,β为取值范围为[0,1]调节系数,j表示虚数,t表示时间;
S4、利用椭圆轨迹计算和绘制模块根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
优选的,步骤S4具体包括以下步骤:
S41、声距计算(声距是指声源模块和某个声传感器之间的距离),其计算公式如下:
Di=V*τi (6)
式中,V为快纵波的传播速度、慢纵波的传播速度或者横波的传播速度;
S42、以单个激励源为例,绘制椭圆轨迹,椭圆标准方程如下:
式中,c为声源和某个声传感器之间距离的一半,a为声距Di的一半,x为平面直角坐标系横轴,y为平面直角坐标系纵轴;本实施例中的x轴以多个声传感器所在直线为轴建立,y轴为以任意与x轴垂直的线为轴建立。
S43、由于椭圆轨迹数量与声传感器数量一致(假设声传感器数量为N,则绘制的椭圆轨迹数量也为N),获得多个声传感器对应的多条椭圆轨迹,多条椭圆轨迹相交形成的交点区域即为探测的地下非金属管线的位置。
S5、利用管线探测结果显示模块显示由椭圆轨迹计算和绘制模块获得的地下非金属管线位置的埋设深度和水平坐标。
因此,本发明采用上述基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***及方法,通过在地表安装声源和声传感阵列,不需要开挖土壤、不需要接触管线,声源向土壤中发射调制的、带有特殊频率特征的声波;该声波在土壤中传播,由于土壤和非金属管线存在声阻抗差异,声波会在土壤-管线界面发生反射;反射后的声波传播到地表被声传感阵列接收;通过对声源发射信号和声传感阵列接收信号进行滤波、相关分析、声距计算、椭圆轨迹绘制等处理,即可实现地下非金属管线的探测。
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 (10)

1.基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,其特征在于:包括:
声源模块,用于产生设定频率特征的声波振动信号并发射;
土壤参数预估模块,用于根据土壤类型预估探测需要的土壤参数;
声阵列接收模块,用于接收土壤-管线界面反射回地表的声波振动信号;
声信号处理模块,用于对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
椭圆轨迹计算和绘制模块,用于根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
管线探测结果显示模块,用于显示地下非金属管线的探测结果;
通讯和供电模块,用于为上述模块提供通讯和供电功能。
2.根据权利要求1所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,其特征在于:声源模块包括依次串联的信号发生器、功率放大器、激振器和声波耦合器;
信号发生器,用于产生调制的、具有设定频率特征的电信号;
功率放大器,用于将信号发生器产生的电信号放大,提高电信号的信噪比,并且驱动激振器工作;
激振器,用于将上述电信号转化为对应的设定频率特征的声波振动信号;
声波耦合器,用于将上述声波振动信号耦合进土壤。
3.根据权利要求2所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,其特征在于:声波振动信号频率包括:低频[1Hz,500Hz]和高频[500Hz,2000Hz]两种种声波模式,声波振动信号类型包括:单频信号、多频信号、脉冲信号、扫频信号中的一种及其任意组合。
4.根据权利要求1所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,其特征在于:土壤类型包括砂质土、黏质土、壤土,土壤参数包括土壤密度、泊松比、土壤声波速度。
5.根据权利要求1所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***,其特征在于:声阵列接收模块包括线性呈阵列均匀或非均匀布置的多个声传感器,声传感器为速度型传感器或者加速度型传感器;
多个声传感器均与声源模块位于同一直线上。
6.如上述权利要求1-5任一项所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、利用声源模块产生设定频率特征的声波振动信号,并将声波振动信号耦合进土壤;
S2、声波振动信号沿土壤传播,直至接触非金属管线表面,借助土壤和非金属管线之间存在的声阻抗差异,发生反射;
S3、利用声信号处理模块对声阵列接收模块接收的声波振动信号进行处理;
S4、利用椭圆轨迹计算和绘制模块根据声源模块发射的声波振动信号和经声信号处理模块处理后的声波振动信号,进行椭圆轨迹计算并且绘制椭圆轨迹曲线,再基于绘制的多条椭圆轨迹曲线的交点获得地下非金属管线的位置;
S5、利用管线探测结果显示模块显示由椭圆轨迹计算和绘制模块获得的地下非金属管线位置的埋设深度和水平坐标。
7.根据权利要求6所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,其特征在于:步骤S2中所述的声强反射系数R计算公式如下:
式中,Z1和Z2分别为土壤和管线的声阻抗率。
8.根据权利要求6所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,其特征在于:在步骤S2中利用土壤参数预估模块根据土壤类型预估探测需要的土壤参数,其中土壤密度和泊松比通过土壤类型查表获得,土壤声波速计算公式如下所示:
式中,Vp(f)fast、Vp(f)slow、Vs(f)分别为土壤中的快纵波、慢纵波和横波的传播速度,CM、CF分别为土壤固体相的压缩系数和流体相的压缩系数,ρM、ρF分别为固体相的密度和流体相的密度,f为传播频率,G为土壤剪切模量,β为取值范围为[0.1,2]的调节系数。
9.根据权利要求6所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,其特征在于:步骤S3所述的处理包括噪声滤除、杂波抑制、信号放大、交叉分析、相关分析和时延估计;
以声源和任意一个声传感器为例,时延估计计算公式如下:
式中,τi为时延估计值,X0为声源的频谱,X1 *为此声传感器的频谱,ω为角频率,Gx0x1(ω)为声源和声传感器的互谱,β为取值范围为[0,1]的调节系数,j表示虚数,t表示时间。
10.根据权利要求6所述的基于声阵列椭圆轨迹的地下非金属管线探测***的方法,其特征在于:步骤S4具体包括以下步骤:
S41、声距计算,其计算公式如下:
Di=V*τi (6)
式中,V为快纵波的传播速度、慢纵波的传播速度或者横波的传播速度;
S42、以单个激励源为例,绘制椭圆轨迹,椭圆标准方程如下:
式中,c为声源和某个声传感器之间距离的一半,a为声距Di的一半,x为平面直角坐标系横轴,y为平面直角坐标系纵轴;
S43、由于椭圆轨迹数量与声传感器数量一致,获得多个声传感器对应的多条椭圆轨迹,多条椭圆轨迹相交形成的交点区域即为探测的地下非金属管线的位置。
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