本發(fā)明屬于埋地管道探測，尤其涉及一種基于聲波反射時延的埋地管道定位裝置及方法。

背景技術：

1、管道在自來水、天然氣、石油等資源的輸送中，因其安全、高效得到了廣泛的應用，其中聚乙烯(po?l?yethy?l?ene,pe)管道由于安裝維護方便、價格低、奶腐蝕和使用年限長等優(yōu)點，在城鎮(zhèn)中低壓燃氣管網(wǎng)建設中被大量使用。但由于管線規(guī)劃變更信息缺失、管道管理體系和所屬單位復雜、現(xiàn)有管道探測儀器精度不高等，導致管道位置不明確，使得pe管在施工建設中極易被破壞，從而引發(fā)天然氣泄漏、爆炸甚至人員傷亡，因此實現(xiàn)埋地pe管的準確定位具有十分重要的意義。

2、當前，常用的探測方法主要包括地質(zhì)雷達探測法、電磁-示蹤線法和聲學探測法等，但均存在一定的局限性。地質(zhì)雷達探測法受土壤環(huán)境影響較大；電磁-示蹤線法需要鋪設示蹤線，操作復雜，周圍電纜對定位精度影響較大；聲學探測法包括聲波激勵法和聲波發(fā)射法，其中聲波激勵法只能探測露出地面的管道，聲波反射法需要反射波信號與直達波信號完全分離，對震源設備的要求非常高。

3、現(xiàn)有技術一的技術方案

4、聲學探測法是一項新型探測技術，該方法利用震源產(chǎn)生聲源激勵信號，信號傳播至管道表面產(chǎn)生反射波信號，信號接收裝置接受反射波信號，對接受到的反射波信號進行平移、疊加等處理，從而實現(xiàn)對埋地管道的定位。

5、現(xiàn)有技術一的缺點

6、聲波反射法對震源設備要求過高，需要使用反射波信號與直達波信號完全分離。

7、現(xiàn)有技術二的技術方案

8、當前地質(zhì)雷達探測法是埋地管道定位中常用的一種方法。雷達儀通過發(fā)射天線向探測區(qū)域發(fā)射電磁波，在傳播過程中，電磁波遇到pe管表面灰發(fā)生反射并產(chǎn)生反射波。接收天線接收反射波，傳導探地雷達主機進行數(shù)據(jù)存儲、處理和顯示。

9、現(xiàn)有技術二的缺點

10、當管道埋深較深以及管道直徑較小時，地質(zhì)雷達探測法定位精度較差，且受土壤環(huán)境的影響較大，如土壤的濕度、土壤環(huán)境電導率等，另外地質(zhì)雷達探測法成本相對較高。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有埋地管道定位技術存在的問題，即定位精度受探測環(huán)境影響較大、對設備要求過高以及成本較高等問題，設計了一種基于聲波反射時延的埋地管道定位裝置及方法。

2、本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種基于聲波反射時延的埋地管道定位裝置，包括電源、信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、縱波檢波器陣列、聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)、上位機，上位機控制信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的聲源激勵信號。信號發(fā)生器將此信號送入功率放大器，放大后的信號送入激振器，驅(qū)動激振器產(chǎn)生探測所需聲波。所述上位機與車體內(nèi)的信號發(fā)生器和聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)連接，對聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)采集的信號進行處理，確定聲學反射時延，繪制管道定位結果圖，并計算定位坐標。

4、其中，所述激振器包括激振器外殼、可動機構、永磁體和約束導向機構。永磁體安裝在激振器外殼的底部，約束導向機構為兩立柱，均安裝在永磁體上，可動機構包括兩立柱之間的可動桿和纏繞在可動桿上的線圈，通電線圈與磁場作用產(chǎn)生作用力，帶動可動桿沿約束導向機構軸向做往復運動，振動產(chǎn)生聲波，在可動機構與激振器外殼之間形成有氣隙。

5、進一步的是，上位機通過車體側(cè)面的出線孔分別與車體內(nèi)的信號發(fā)生器和聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)連接。

6、進一步的是，電源、信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、縱波檢波器陣列、聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)均集成于車體中。電源與信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、縱波檢波器陣列、聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)相連接，為上述元件供電。電源、信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、縱波檢波器陣列、聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)均安裝在車體的內(nèi)部橫梁上。

7、進一步的是，管道定位探測時使用2個縱波檢波器。

8、進一步的是，聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)包括聲學探測信號檢測電路、低通濾波電路、自動調(diào)節(jié)增益放大電路、信號采集卡。聲學探測信號檢測電路對縱波檢波器陣列接收的信號進行采集，聲學探測信號檢測電路將信號送入低通濾波電路，低通濾波電路對探測信號中的高頻噪聲進行濾波得到干凈的低頻聲學探測信號；低通濾波器電路將低頻聲學探測信號送入自動調(diào)節(jié)增益放大電路，自動調(diào)節(jié)增益放大電路將信號送入信號采集卡，信號采集卡聲學探測信號上傳至上位機進行處理。

9、一種基于聲波反射時延的埋地管道定位方法，其步驟如下：

10、步驟1.設置初始參數(shù)：檢波器間距、激振器位置；

11、根據(jù)探測現(xiàn)場的實際情況，調(diào)整激振器位置，檢波器的間距。

12、步驟2.無管道區(qū)域波速測試；

13、根據(jù)采集得到的信號，計算各個檢波器接收到信號的時間，將各個檢波器接收到信號的時間、檢波器與震源之間的距離進行一階線性擬合，得到的曲線斜率即為現(xiàn)場土壤縱波波速，多次測量取平均值。

14、步驟3.提取反射時延；

15、s301.上位機控制發(fā)送控制指令，信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動激振器向探測區(qū)域發(fā)射聲波，縱波檢波器陣列接收聲學探測信號，然后通過聲學探測信號檢測與采集系統(tǒng)將信號上傳至上位機。

16、s302.在上位機上通過數(shù)字帶通濾波器對探測信號進行濾波，保留0hz-600hz區(qū)間內(nèi)不同頻率范圍的信號波形并取絕對值、歸一化處理。

17、步驟4.根據(jù)確定的反射時延范圍，繪制兩個檢波器確定的管道位置軌跡曲線，曲線交點圍成的區(qū)域為定位到的管道位置，取區(qū)域中點為定位坐標，得到管道的位置。連接不同的測線上的管道位置，得到管道在探測區(qū)域的走向。

18、s401.聲波由震源傳播至反射點再被反射回地面檢波器ⅰ的距離式中：τ為反射時延；υp為縱波波速；d為檢波器間距。

19、l＝l1+l2＝τ×υp+d?(1)

20、s402.由式(1)得，確定反射時延與縱波波速后，l為一個定值，則管道位于以震源坐標和檢波器ⅰ坐標為焦點的橢圓軌跡上，且軌跡中心為震源與檢波器的中點，因此軌跡方程為：

21、

22、式中：b為軌跡方程的短半軸長度；a為軌跡方程的長半軸長度。

23、由橢圓定義知：

24、

25、將式(1)、(3)、(4)代入式(2)得由檢波器ⅰ確定的管道位置軌跡方程：

26、

27、根據(jù)步驟3，檢波器ⅰ確定的反射時延范圍為τ1l＜τ1＜τ1h，則檢波器確定的管道位置范圍為橢圓軌跡y1和y2之間的區(qū)域。

28、

29、s403.同理，檢波器ⅱ確定的反射時延范圍為τ2l＜τ2＜τ2h，則檢波器ⅱ確定的管道位置范圍為橢圓軌跡y3和y4之間的區(qū)域。

30、

31、s404.繪制式(6)、(7)所示的曲線，曲線交點圍成的區(qū)域即為通過提取反射時延定位到的埋地管道位置，選擇區(qū)域中點作為管道定位坐標，連接每條測線上的管道位置，得到此探測區(qū)域的管道走向。

32、進一步的，步驟302包括對比相近頻率范圍信號波形，若所有相近頻率范圍的信號波形均無明顯差異，則探測區(qū)域無管道；若頻率較低和頻率較高時相近頻率范圍的信號波形無明顯差異，但在中間頻率存在明顯差異，則探測區(qū)域存在管道，若相近頻率范圍的信號波形存在明顯差異，則通過確定差異開始出現(xiàn)的時刻與信號初始時刻，確定反射時延的范圍。

33、本發(fā)明的有益效果：

34、1.本發(fā)明提出的方法能探測各種環(huán)境的埋地管道，且定位精度較高。

35、2.本發(fā)明提出的方法對直達波與反射波疊加信號進行處理，解決了傳統(tǒng)聲學定位方法在反射波與直達波重疊時不能定位非金屬管道的難題。

36、3.本發(fā)明提出的方法能以非常低的成本探測埋地管道。

37、4.本發(fā)明為無損探測，不需要與示蹤線連接，探測定位過程中不會對管道造成損傷。

38、5.本發(fā)明提出的方法通過調(diào)整聲波頻率，能夠探測各種管徑、埋深的埋地管道。