基于编码信号的智能管道定位装置及方法
阅读说明：本技术 基于编码信号的智能管道定位装置及方法 (Intelligent pipeline positioning device and method based on coded signals ) 是由 叶辉 金彦 周超 刘玉 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于编码信号的智能管道定位装置,它包括信号发射机和信号接收机,所述信号发射机包括编码器、信号放大器、音频振荡器,所述信号接收机包括震动信号传感器、模数转换器、信号处理器。本发明借助功率放大器将频率适中以及自相关特性突出的可编码信号最终转换为声波信号；通过对可编码信号的频率等参数的控制,不仅使接收机能够借助各种后处理方法进行精确分析,而且更有利于提取接收信号中隐含的信息,更方便技术人员利用相关分析方法更可靠的判定出发射机所发射的信号。该装置大大提高的信号传播距离,提高技术人员解释数据的准确性和可靠性。(The invention discloses an intelligent pipeline positioning device based on an encoding signal, which comprises a signal transmitter and a signal receiver, wherein the signal transmitter comprises an encoder, a signal amplifier and an audio oscillator, and the signal receiver comprises a vibration signal sensor, an analog-to-digital converter and a signal processor. The invention finally converts the encodable signal with moderate frequency and outstanding autocorrelation characteristic into the sound wave signal by means of the power amplifier; by controlling the parameters such as the frequency of the encodable signal, the receiver can not only carry out accurate analysis by various post-processing methods, but also is more favorable for extracting the information implied in the received signal, and is more convenient for technicians to more reliably judge the signal transmitted by the transmitter by using a related analysis method. The device greatly improves the signal propagation distance and improves the accuracy and reliability of data interpretation of technicians.)
技术领域
本发明涉及城市管道探测技术领域，具体地指一种基于编码信号的智能管道定位装置及方法。
背景技术
地下管线是城市基础设施的重要组成部分,也是城市赖以生存和发展的生命线。随着科学技术的发展，城市地下管线的材质也在不断发生着变化，过去大量使用金属管线，而现在给水、排水、燃气、热力、工业、油气等各种管网中，塑料(聚乙烯PE管、聚氯乙烯PVC管等)、陶瓷、混凝土等非金属管线的应用日益普及。由于这些非金属管线具有抗污染性强、重量轻、造价低、不易腐蚀、易于埋设和维修等优点，目前已经越来越多的用来代替金属管线。
近些年来，PE管被广泛应用于燃气、给水管道的铺设。随着国民经济的快速发展，地下天燃气管线的建设也突飞猛进，天然气管道管理的重要性也日益被各级政府部门重视。后期的地下管线维护都需要及时、准确和完整的地下管线信息，从目前国内管线探测技术的现状来看，金属管线的探测技术已趋于成熟，但目前非金属管道的探测仍是个技术难题，因为非金属管线不导电也不导磁，基本绝缘，常用的金属管线探测器无法对其探测，这对于确定地下非金属管线的位置和埋深，避免施工开挖造成破坏，以及管理和维护管网安全等带来了很大困难。
当前，国内技术人员和相关专家探测PE天然气管道所采用的技术方法有探地雷达法、示踪线法等。
1、地质雷达法。地质雷达是根据电磁波在地下传播过程中遇到不同的地质界面会发生反射的原理进行的。一般情况下目标管线和周围介质都存在物性(主要是电性)差异。地质雷达将高频电磁波以宽频短脉冲的形式，由地面通过发射天线送入地下，经地质界面或管线反射后返回地面，另一天线接收。来自地质界面的反射波其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化，由此可根据反射波的旅行时间(双程走时)、幅度、波形及介质电磁波速度等，推测地下管线的空间位置和埋深。已知管顶处反射波旅行时间、平均介质电磁波速，则可计算地下管线管顶埋深；
地质雷达法是一种非破坏性技术，应用范围广，效率较高，采用微机控制与成图，图像清晰直观，适于探测各类材质管线。但是这种方法对探测场地要求较高，就地下管线探测而言，受回填土和邻近非目标管线的杂乱回波干扰较大，受探测场地平整度限制，探测深度有限，而且非专业技术人员容易误判错判。
2、示踪线探测法。前提是PE管有示踪线，一般是在管道施工中紧贴PE埋入一条金属导线(简称示踪线)，并在阀门等明显处有出露点。探测原理是给示踪线加上一定强度的交变电流，通过探测示踪线电流产生的电磁场来确定示踪线的空间位置，从而确定埋地PE管道的位置。目前较为常用的仪器有英国雷迪公司生产的LD8100管道探测仪和中国江苏海安生产的SENNR-6018管道探测仪。这类仪器在未布设示踪线的管道条件下毫无用武之地。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于编码信号的智能管道定位装置及方法，本发明能够实现地下管道的准确定位。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于编码信号的智能管道定位装置，它包括信号发射机和信号接收机，所述信号发射机包括编码器、信号放大器、音频振荡器，所述信号接收机包括震动信号传感器、模数转换器、信号处理器，所述编码器用于产生声波编码信号；
信号放大器用于对声波编码信号进行功率放大；
音频振荡器用于将功率放大后的声波编码信号转换为机械振动，产生特定变化频率的声波信号，该声波信号通过放散阀口向管道内部传播特定变化频率的声波信号；
震动信号传感器用于在以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上进行各个坐标点的特定变化频率声波信号感应，并将各个坐标点的特定变化频率声波信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号；
模数转换器用于将各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波数字信号；
信号处理器用于利用各个坐标点的特定变化频率声波数字信号生成以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上特定变化频率声波信号的强度分布图，该强度分布图中特定变化频率声波强度最大的坐标点的下方即为管道。
本发明借助功率放大器将频率适中以及自相关特性突出的可编码信号最终转换为声波信号(Chirp信号，Chirp是一种频率随时间有规律连续变化的信号,具体优良的自相关特性)；通过对可编码信号的频率高低和信号功率大小的控制，不仅使接收机能够借助各种后处理方法进行精确分析，而且更有利于提取接收信号中隐含的信息，更方便技术人员利用相关分析方法更可靠的判定出发射机所发射的信号。该装置大大提高的信号传播距离，提高技术人员解释数据的准确性和可靠性。相比于现有的声波探管仪具有探测距离更远，信噪比更高，探测深度更大等优点。
Chirp信号作为一种扫频信号，具有频带宽，发射能量大，作用距离远，自相关性好，易于检测等特点。基于自身的扫频特性，信号能够很好的调和两者的矛盾，同时提高信号穿透能力和回波信号分辨率。也就是说，当脉冲信号的峰值功率确定，信号可以通过调制信号长度，使自身具有更大的能量，实现更远的传播距离，而同时良好的自相关特性又很好的保证了信号具有较高的分辨率，从而很好的解决有效探测距离与分辨率之间的矛盾。Chirp信号具有良好的自相关特性，即使当其反射信号叠加在一起时，其信号初至位置仍然十分清晰，具有良好的抗噪性能。
附图说明
图1为本发明中信号发射机的原理框图；
图2为本发明中信号接收机的原理框图。
其中，1—信号发射机、1.1—编码器、1.2—信号放大器、1.3—音频振荡器、1.4—前置放大模块、1.5—信号均衡模块、1.6—功率放大器、2—信号接收机、2.1—震动信号传感器、2.2—模数转换器、2.3—信号处理器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示的基于编码信号的智能管道定位装置，它包括信号发射机1和信号接收机2，所述信号发射机1包括编码器1.1、信号放大器1.2、音频振荡器1.3，所述信号接收机2包括震动信号传感器2.1、模数转换器2.2、信号处理器2.3，所述编码器1.1用于产生声波编码信号(Chirp编码信号)；
信号放大器1.2用于对声波编码信号进行功率放大，功率放大的程度与探测点距离信号发射机的距离，及埋设管道上方土壤介质疏密程度有关，一般情况下，接收机距离发射机距离越远，管道上方土壤介质越疏松，功率放大越大；反之亦然，实际应用过程中，功率变化范围一般在25～200W；
音频振荡器1.3用于将功率放大后的声波编码信号转换为机械振动，产生特定变化频率的声波信号(频率随时间有规律连续变化的声波信号，Chirp信号)，该声波信号通过放散阀口向管道内部传播特定变化频率的声波信号；
震动信号传感器2.1用于在以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上(圆形测量区域即为圆形轮廓上)进行各个坐标点(圆形测量区域上的各个坐标点)的特定变化频率声波信号感应，并将各个坐标点的特定变化频率声波信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号；
模数转换器2.2用于将各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波数字信号；
信号处理器2.3用于利用各个坐标点的特定变化频率声波数字信号生成以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上特定变化频率声波信号的强度分布图，该强度分布图中特定变化频率声波强度最大的坐标点的下方即为管道。
上述技术方案中，震动信号传感器2.1用于在以放散阀口为原点，以不同的预设距离为半径的圆形测量区域上进行不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波信号感应，并将不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波信号转换为不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号；
模数转换器2.2用于将不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号转换为不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波数字信号；
信号处理器2.3用于利用不同半径的同心圆上各个坐标点的特定变化频率声波数字信号生成以放散阀口为原点，以不同的预设距离为半径的多个同心圆形测量区域上特定变化频率声波信号的强度分布图，该强度分布图中各个同心圆上特定变化频率声波强度最大的坐标点连线的下方即为管道。
上述技术方案中，放散阀口为燃气管道上的专用设备，放散阀是管道输送可燃易爆气体的一种安全预警装置，当某种暂时原因使控制点的压力超过设定值(气泡爆裂压力)时，即排放一定量的气体的阀。一般安装在天然气管道用气最未端，在投入使用前或检修时用来置换出管道内不纯的混合气体至室外的专用阀门。
上述技术方案中，发射机的发出的编码声音信号经过接收机接收后处理分析，能够更精确判定出是否自发射机发出的信号。处理分析过程为将设定好的Chirp信号调制到发射信号上，在接收端用相同的特征信号做相关检测发射信号，调制特征信号增加了信号的自相关性，使信号更易于被检测和测量，该方法用于能增加测距精度和提高检测信噪比。
上述技术方案中，通过信号发射机向天然气管道内发射可编码的声波信号，信号沿管道定向传播至远端，该声波信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁土壤立体传播至地面；此时接收机在地面上捕捉该声波信号。
上述技术方案中，震动传感器模块由高灵敏度压电陶瓷传感器组成，目前市面较为常见，它可以将地面极其微弱的震动信号转化为电信号。当发射机开始工作后，经编码的声波信号沿着管道内部传播，并向管道四周传播至地面，此时接收机高灵敏传感器在地面将地表微弱的声波信号转换为电信号。
上述技术方案中，所述信号放大器1.2包括前置放大模块1.4、信号均衡模块1.5和功率放大器1.6，前置放大模块1.4用于对声波编码信号进行前置放大，信号均衡模块1.5用于对前置放大后的声波编码信号进行增益调整(不同环境需要的声波幅度不一样，有的地方信号较弱就要增加的更大，有的地方太强，就需要减弱)，功率放大器1.6用于给增益调整后的声波编码信号进行功率放大(25～200W)。
上述技术方案中，震动信号传感器2.1用于在以放散阀口为原点，以3～5m为半径的圆形测量区域上进行各个坐标点的特定变化频率声波信号感应。
一种利用上述装置的智能管道定位方法，它包括如下步骤：
步骤1：编码器1.1产生声波编码信号；
步骤2：信号放大器1.2对声波编码信号进行功率放大；
步骤3：音频振荡器1.3将功率放大后的声波编码信号转换为机械振动，产生特定变化频率的声波信号，该声波信号通过放散阀口向管道内部传播特定变化频率的声波信号；
步骤4：震动信号传感器2.1在以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上进行各个坐标点的特定变化频率声波信号感应，并将各个坐标点的特定变化频率声波信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号；
步骤5：模数转换器将各个坐标点的特定变化频率声波模拟信号转换为各个坐标点的特定变化频率声波数字信号；
步骤6：信号处理器2.3利用各个坐标点的特定变化频率声波数字信号生成以放散阀口为原点，以预设距离为半径的圆形测量区域上特定变化频率声波信号的强度分布图，该强度分布图中特定变化频率声波强度最大的坐标点的下方即为管道。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。