CN116293473B - 一种改进型管道声纳湿端处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声信号检测技术领域，特别涉及一种改进型管道声纳湿端处理装置，主要由换能器、导电滑环及步进电机、接收预处理电路、处理电路及发射电路五部分组成；所述处理电路依次与所述接收预处理电路、所述导电滑环及步进电机、所述换能器相连，所述处理电路依次与所述发射电路和所述导电滑环及步进电机相连，所述处理电路将处理后的数据通过以太网接口实现与显控设备的交付。本发明可用于水声领域中管道声纳的多通道并行工作，相比传统的管道声纳，能够提高管道声纳的处理效率和管道检测效率。

Description

一种改进型管道声纳湿端处理装置

技术领域

本发明涉及水声信号检测技术领域，特别涉及一种改进型管道声纳湿端处理装置。

背景技术

1、传统技术的基本情况：

传统的封堵-抽水-清淤-检测方式费时费力，且存在人员下井安全隐患，急需采用先进的技术手段进行替代。雨污管道管径多在400mm至1200mm之间，雨水管和污水管内环境略有差别。雨水管内水质较清但悬浮物很多，漂浮物较为单一如树枝树叶等；污水管内多为黑臭水体，漂浮物多样：塑料制品、钢丝球、等生活垃圾，气味浓烈，有害气体如硫化氢等。需要检测管道内破裂、变形、错口、起伏、脱节、支管暗接、淤积、异物插入等结构性缺陷。

在满水工况下摄像头等光学设备受限严重，最佳的探测方式是采用声纳进行探测。现有的声纳检测技术通常采用单波束机械式环扫声纳（管线声纳），只能扫描管道的截面，扫描速率慢，且只能检测变形、淤积、支管暗接。其他缺陷（如裂缝）因为分辨率太低和实际操作太困难而无法辨出或极难辨出。此外，单波束声纳的检测效率较低（机械式转动扫描，图像需重构）。

传统技术存在的缺点：

传统的管道声纳要存在以下几个方面的缺点：

（1）测量效率低、耗时长：传统的管道声纳主要是单波束机械式环扫声纳。其工作原理主要是通过设备内置的电机转动控制单通道换能器实现旋转一圈，实现对管网一周的信号收集，这种工作方式受制于声纳回波传输时间及处理时间限制。导致电机不能转速过快，管网检测水下机器人运转速度也不能过快，否则将导致管网检测图像丢帧现象。

（2）分辨率低：受限于声纳工作频率限制，传统管道声纳的工作中心频率不大于2.5MHz，其水平及垂直开角分辨率也在1.5°以上。

本发明要解决的技术问题主要是有以下几个方面：

（1）提高管道声纳测检测效率，加快管道声纳对城市管网的排查效率。

（2）提高管道声纳的分辨率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种改进型管道声纳湿端处理装置及其结构，本发明可用于水声领域中管道声纳的多通道并行工作，相比传统的管道声纳，能够提高管道声纳的处理效率和管道检测效率。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种改进型管道声纳湿端处理装置，主要由换能器、导电滑环及步进电机、接收预处理电路、处理电路及发射电路五部分组成；所述处理电路依次与所述接收预处理电路、所述导电滑环及步进电机、所述换能器相连，所述处理电路依次与所述发射电路和所述导电滑环及步进电机相连，所述处理电路将处理后的数据通过以太网接口实现与显控设备的交付。

优选的，所述换能器的壳体横截面呈正六边形结构设置，在所述换能器的壳体周向面上均匀布设有六个换能器探头，所述换能器探头由所述步进电机带动旋转，在1分钟内旋转60圈以上。

优选的，所述导电滑环的作用用于传输电信号，同时其连接处相对旋转还能传电，电线不会缠绕，通过所述导电滑环的定子端连接所述步进电机构成固定部分，转子端驱动布设六个换能器探头的换能器。

优选的，所述导电滑环采用订制方式，设计有七道线圈。

优选的，所述步进电机具有大扭矩，低温升，采用数控绕线，一致性高，在结构设计上采用圆形设计。

优选的，所述接收预处理电路主要由以下三部分组成：

固定放大电路，选用AD8222双通道、高性能仪表放大器，实现前级阻抗匹配与固定增益放大，增益设置为10～20dB，AD8222采用小型4 mm×4 mm LFCSP封装；

压控放大电路，选用TI公司的具有低噪声前置放大器的8通道、超低功耗可变增益放大器VCA8500芯片；

本振电路，选用ADI公司的专用DDS芯片AD9834实现本震频率的生成。

优选的，所述VCA8500芯片内置一个固定前放电路、可编程衰减电路以及可编程增益放大电路，实现46dB的动态增益控制。

优选的，所述本振电路工作时，通过单片机配置生成固定频率6MHz与接收端信号进行混频，再经过低通滤波器实现低频端的I路信号、Q路信号，再经过单片机的内置ADC实现数据采集；混频器选用Signetics公司的NE602型混频器，低通滤波器的截止频率设置为200kHz，通过运算放大器搭建低通滤波器实现信号低通滤波。

优选的，所述处理电路是以FPGA、MCU作为控制核心，所述FPGA选用Xilinx公司的Artix7系列的XC7A100TCSG款FPGA芯片，所述MCU选用意法半导体的STM32F407款单片机。

优选的，所述发射电路由以下三部分组成：

发射激励信号生成电路，用于实现原始所需要的工作频率、工作脉宽、工作带宽；

功率放大电路，用于实现对发射激励信号由数字PWM信号转变成模拟信号，再实现功率放大转成高压信号；

匹配电路，用于实现发射电路与换能器之间的容抗、感抗的匹配，确保发射波形不失真。

本发明具有以下有益效果：

（1）改进型管道声纳在湿端设计上采用在圆面上等角度均匀分6个分换能器，在其他条件不变的条件下，理论上可提高6倍检测效率。

（2）优化改进型管道声纳湿端处理系统的电路设计，提高声纳工作频率到6MHz，实现改进型管道声纳的水平及垂直开角分辨率为0.8°，相比传统的管道声纳提高一倍的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明管道声纳整体功能框图。

图2为本发明导电滑环工作示意图。

图3为本发明导电滑环走线示意图；其中(a)为侧面剖视图，(b)为侧视图，(c)为正面剖视图。

图4为本发明AD8222芯片内部结构框图。

图5为本发明VCA8500芯片内部结构框图。

图6为本发明处理电路功能框图。

图7为本发明发射电路功能框图。

图中：1-换能器、2-导电滑环及步进电机、3-接收预处理电路、4-处理电路、5-发射电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~7所示，本发明实施例提供了一种改进型管道声纳湿端处理装置的技术方案，主要由换能器1、导电滑环及步进电机2、接收预处理电路3、处理电路4及发射电路5五部分组成；处理电路4依次与接收预处理电路3、导电滑环及步进电机2、换能器1相连，处理电路4依次与发射电路5和导电滑环及步进电机2相连，处理电路4将处理后的数据通过以太网接口实现与显控设备的交付。

换能器1的壳体横截面呈正六边形结构设置，在换能器1的壳体周向面上均匀布设有六个换能器探头，换能器探头由步进电机带动旋转，在1分钟内旋转60圈以上。具体为：管道声纳换能器壳体在水下正常温度工作，金属和非金属罩壳之间加密封圈并加密封胶，并由密封接头连通仪器内外电源和信号。换能器1由六个探头组成，分别呈正六边形均匀分布，探头由步进电机带动旋转，可在1分钟内旋转60圈以上。整个仪器内注满轻蜡油散热。

如图2所示，导电滑环的作用用于传输电信号，同时其连接处相对旋转还能传电，电线不会缠绕，通过导电滑环的定子端连接步进电机构成固定部分，转子端驱动布设六个换能器探头的换能器。

如图3所示，导电滑环采用订制方式，设计有七道线圈。

步进电机具有大扭矩，低温升，采用数控绕线，一致性高，在结构设计上采用圆形设计，能够节省空间。

接收预处理电路3主要由以下三部分组成：

固定放大电路，选用AD8222双通道、高性能仪表放大器，实现前级阻抗匹配与固定增益放大，为尽可能增加系统的动态范围，增益设置可适当降低（10～20dB）。AD8222采用小型4 mm×4 mm LFCSP封装，芯片内部结构框图如图4所示；

压控放大电路，选用TI公司的具有低噪声前置放大器的8通道、超低功耗可变增益放大器VCA8500。该芯片的内部功能框图如图5所示，VCA8500芯片内置一个固定前放电路、可编程衰减电路以及可编程增益放大电路，实现46dB的动态增益控制；

本振电路，选用ADI公司的专用DDS芯片AD9834实现本震频率的生成，选用ADI公司的专用DDS芯片AD9834实现本震频率的生成，AD9834最高可生成37.5MHz的频率。通过单片机配置生成固定频率6MHz与接收端信号进行混频，再经过低通滤波器实现低频端的I路信号、Q路信号，再经过单片机的内置ADC实现数据采集。混频器选用Signetics公司的NE602型混频器，低通滤波器的截止频率设置为200kHz，通过运算放大器搭建低通滤波器实现信号低通滤波。

如图6所示，处理电路4是以FPGA、MCU作为控制核心，其中FPGA选用Xilinx公司的Artix7系列的XC7A100TCSG这款FPGA芯片，MCU选用意法半导体的STM32F407这款单片机。

如图7所示，发射电路5由发射激励信号生成电路、功率放大电路以及匹配电路组成，发射激励信号生成电路主要是实现原始所需要的工作频率、工作脉宽、工作带宽。功率放大电路的主要功能是实现对发射激励信号由数字PWM信号转变成模拟信号，再实现功率放大转成高压信号。匹配电路主要是实现发射电路与换能器之间的容抗、感抗的匹配，确保发射波形不失真。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种改进型管道声纳湿端处理装置，其特征在于，主要由换能器、导电滑环及步进电机、接收预处理电路、处理电路、发射电路五部分组成；所述处理电路依次与所述接收预处理电路、所述导电滑环及步进电机、所述换能器相连，所述处理电路依次与所述发射电路和所述导电滑环及步进电机相连，所述处理电路将处理后的数据通过以太网接口实现与显控设备的交互；

所述换能器的壳体横截面呈正六边形结构设置，在所述换能器的壳体周向面上均匀布设有六个换能器探头，所述换能器探头由所述步进电机带动旋转，在1分钟内旋转60圈以上；

所述导电滑环设有七道线圈；

所述接收预处理电路主要由固定放大电路、压控放大电路、本振电路三部分组成：

所述本振电路工作时，通过单片机配置生成固定频率6MHz与接收端信号进行混频，再经过低通滤波器实现低频端的I路信号、Q路信号，再经过单片机的内置ADC实现数据采集；低通滤波器的截止频率设置为200kHz，通过运算放大器搭建低通滤波器实现信号低通滤波；

所述处理电路是以FPGA、MCU作为控制核心；

所述处理装置提高声纳工作频率到6MHz，实现改进型管道声纳的水平及垂直开角分辨率为0 .8°；

所述导电滑环用于传输电信号，同时其连接处相对旋转还能传电，电线不会缠绕，通过所述导电滑环的定子端连接所述步进电机构成固定部分，转子端驱动布设六个换能器探头的换能器。

2.如权利要求1所述的一种改进型管道声纳湿端处理装置，其特征在于，所述步进电机具有大扭矩，低温升，采用数控绕线，一致性高，在结构设计上采用圆形设计。

3.如权利要求1所述的一种改进型管道声纳湿端处理装置，其特征在于，所述发射电路由以下三部分组成：

发射激励信号生成电路，用于实现原始所需要的工作频率、工作脉宽、工作带宽；

功率放大电路，用于实现对发射激励信号由数字PWM信号转变成模拟信号，再实现功率放大转成高压信号；

匹配电路，用于实现发射电路与换能器之间的容抗、感抗的匹配，确保发射波形不失真。