📄 一种新颖的水平导向钻随钻地下管线探测预警系统-准确导向-非开挖钻机探测仪导向仪泥浆技术过路设备公司过河-源源动力.htm
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随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视，利用非开挖技术进行铺管施工已愈来愈受到人们的重视。其中，水平导向钻是当前进行非开挖市政建设施工的主流设备之一。为确保其施工安全，通常采用工作于地面的地下管线探测设备来掌握施工路线附近现有管线的分布状况。</DIV>
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然而．由于目前国内城市地下管线资料的准确性和完备程度不高，施工中很可能会破坏地下现有管线，给居民生命财产造成损失。为降低这种风险，目前普遍采用探地雷达、地下管线探测仪等地面探测设备普查施工现场的管线分布。但使用地面探测设备一直总存在着使用场合受限、抗干扰能力差、存在探测盲区等问题。</DIV>
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为解决上述问题，本文提出一种新的解决方案，通过引入超声探测技术，将探测设备小型化并置于在钻头上，实现随钻随测，当遇到障碍管线时及时给钻机操作者告警，从而有效地保证了施工安全。</DIV>
<DIV><STRONG> 1
</STRONG><STRONG>超声探测的基本原理</STRONG></DIV>
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超声波是指频率高于可听频率范围的声波，也即频率高于20kHz的声波。超声波具有束散和反射特性，超声探测适应环境能力强、分辨率高，超声传感器结构简单且易小型化，……目前，超声波在水下目标探测、一般材料探伤与测厚等方面具有广泛的应用。</DIV>
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对于地下管线探测来讲，由于探测对象相同，原则上常见的各种地球物理探测方式同样能适用于地下随钻探测设备，但由于受地下使用条件的限制，地下探测设备需要同时考虑体积、功率和对含水量大的地质条件的适应性等因素。如果再考虑到能够探测非金属管线的分布情况，比较起来，超声探测是比较可行的探测方式。</DIV>
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地下管线的超声波探测是利用其反射特性进行目标探测的，如图1所示。电子装置产生超音频的电磁振荡，经过超声换能器转换成机械波向土壤介质发射。超声波在土壤中传播时，当遇到介质的分界面(埋没于土壤中的地下管线等声学特性差异明显处)时将发生反射和散射。接收换能器将接收到的回波由机械波转换成电信号，传送到接收电路处理。发射或散射过程受管线的材料、结构、形状及尺寸等的影响，因而反射波或散射波带有地下管线的信息。</DIV>
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<DIV align=center>图1 超声探测原理示意图</DIV>
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确定目标位置最常用的探测方法是超声反射法，又称脉冲回波法。其工作原理是，通过检测超声脉冲的第一个回波到达的时间与发射脉冲的时间差t，根据S
= tc／2，其中c为介质中的声速，即可算出传感器到反射点之间的距离。不难算出测量位置与障碍物(管线)之间的距离d。</DIV>
<DIV><STRONG> 2
</STRONG><STRONG>系统基本构成</STRONG></DIV>
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基于超声反射特性的水平导向钻随钻地下管线探测预警系统的基本构成框图如图2所示。</DIV>
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<DIV align=center>图2 水平导向钻随钻探测系统基本构成框图</DIV>
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系统由地下探测设备和地面数据处理两大部分构成。其中，地下探测部分由小型化的超声探测系统构成．地面系统则由信号采集仪和便携式计算机构成，两者通过铠装电缆连接。在进行探测时，由地面设备发出控制信号，启动超声信号发生器，激励超声换能器超声波，经土壤介质的耦合和传输，当遇到障碍管线时，超声波发生反射，再经土壤介质的传输，耦合到用于接收的超声换能器上，经过滤波、放大等预处理，经电缆传送到地面设备，经数据采集后，由计算机进行处理，完成目标信号的判读。</DIV>
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为了便于实验，系统设计中将超声波随钻探测系统按功能模块分别进行设计，主要包括超声波换能器、超声波发射接收仪、超声波信号检测仪以及超声波信号处理软件等模块，如图3所示。</DIV>
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<DIV align=center>图3 超声探测设备</DIV>
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在上述系统中，超声换能器是其关键设备。同其它应用场合相比，土壤介质对声波的衰减效应大，为保证能够探测获得障碍管线的回波信号，必须在保证探测分辨率的前提下尽可能降低超声波发射频率，同时在体积容许的情况下提高换能器的功率，并控制换能器的发射角。考虑到随钻探测的实际情况，设定探测距离为1m，探测到的管线线径最小为10mm，选定土壤介质中超声波换能器的发射频率范围为20kHz～50kHz，为近音频频段。由于目前没有专门的适用于土壤介质的换能器，但考虑到地下随钻探测场合的土壤含水量高且导向钻钻进过程中使用大量水进行钻头冷却，我们采用水声换能器进行代替，其基本结构如图4所示<SUP>[1]</SUP>。</DIV>
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<DIV align=center>图4 超声换能器的结构图</DIV>
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换能器压电片采用高温压电陶瓷片。经测试，实际制作的换能器频率为20kHz、22kHz和32kHz。图5为频率为20KHz的超声波探头的实物图。</DIV>
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<DIV align=center>图5 频率20KHz超声波探头实物图</DIV>
<DIV><STRONG> 3
</STRONG><STRONG>探测信号处理方法</STRONG></DIV>
<DIV>
对水平导向钻随钻地下管线探测系统来讲，由于土壤衰减效应大，接收到的目标回波信号通常比较微弱。另外，由于换能器制作工艺的限制，低频段的换能器带宽和品质因数较难控制，接收到的回波信号往往会落入探头的余振信号中而导致无法分辨，降低了系统的探测预警能力。为此，本文采用指</DIV>
<DIV>数放大和盲解卷的信号处理手段对超声信号进行处</DIV>
<DIV>理，提高对目标的判读能力。</DIV>
<DIV> 1)指数放大</DIV>
<DIV>
超声波在介质中传播时，其强度会随传播距离的增加而逐渐减弱。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。对沿某一方向传播的平面波而言，当不计扩散衰减时，则声压随传播距离的变化可由下式表示罔</DIV>
<DIV> p = p<SUB>0</SUB>e <SUP>– αx</SUP> =
p<SUB>0</SUB> e <SUP>- αvt</SUP> (1)</DIV>
<DIV>
式中：α为衰减系数．x为传播距离，v为超声波传播速度，t为传播时间，P为初始声强。显然，由式(1)，通过引入指数放大环节e
<SUP>αvt</SUP>，可以将衰减后的信号恢复到与原有声强相当的水平，提高对回波信号的检出能力。</DIV>
<DIV> 对采集到的离散超声信号序列{x (n)，n =
1，2，LN}，指数前大可栗用如下方渎讲行</DIV>
<DIV> {y (k) = x (n)e <SUP>Kn / N</SUP> ，n =
l，2，LN} (2)</DIV>
<DIV> 其中，K为放大系数，可在实际系统中经试验设定。</DIV>
<DIV> 2)解卷积处理</DIV>
<DIV>
当声束射入介质时，采集到的超声探测信号s㈣可以看作是超声激励信号g(t)与介质冲击响应函数即发射系数h(t)的卷积闭，即</DIV>
<DIV> s (t) = g (t)*h (t)
(3)</DIV>
<DIV> 经傅氏变换后</DIV>
<DIV> S(ω)=G(ω)H(ω) (4)</DIV>
<DIV> 对上式进行对数变换，有</DIV>
<DIV> ln |s(ω)| = ln |G(ω)| + ln
|H(ω)| (5)</DIV>
<DIV> 对上式再进行反傅氏变换，有</DIV>
<DIV> C<SUB>s</SUB> (t) = C<SUB>g</SUB> (t) +
C<SUB>h</SUB> (t) (6)</DIV>
<DIV>
式(6)为各信号的倒谱，理论分析证明，在倒谱域，超声激励信号和介质冲击响应信号处于不同频段<SUP>[3]</SUP>，因此，可利用一线性滤波器，直接提取C<SUB>h</SUB>
(t)，再经过相应的逆运算可完成管线回波信号的处理。利用这种方法，将超声激励信号从探测信号中分离出去，可以避免超声余振信号的影响，提高探测分辨率。</DIV>
<DIV><STRONG> 4
</STRONG><STRONG>模型系统实验验证</STRONG></DIV>
<DIV>
为验证水平导向钻随钻地下管线探测预警系统的探测能力，我们在实验室的条件下搭建了模型试验环境。试验前，将野外采集的原生土壤碾碎筛匀，放入水池中搅拌成泥浆，经沉淀后将析漏出的水排干，以模拟地下管线的土壤环境。试验时，在塑料桶中装满含水量非常高的泥浆并放入该土壤环境中，模拟导向钻钻孔，在泥浆中设置各种障碍物，将探头放入桶中进行探测试验，试验模型的示意图如图6所示。</DIV>
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<DIV align=center></DIV>
<DIV align=center>图6 模型试验环境示意图</DIV>
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当探测对象为PVC管时，实际探测到的超声信号波形如图7所示。由原始信号波形可看出，池壁回波信号比较微弱．很难准确的判断回波信号的准确位置，只能明确目标回波信号的范围，大约位于1～1.5ms之间。</DIV>
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<DIV align=center>图7 原始信号波形图</DIV>
<DIV> 1)指数放大</DIV>
<DIV>
对原始信号进行指数放大后得到的信号波形如图8所示。从图8中可以看出，远处目标信号已大大增强，管线目标的回波大致在1.4ms左右。</DIV>
<DIV align=center><IMG
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<DIV align=center>图8 指数放大后信号波形</DIV>
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综上所述，采用指数放大处理方法进行信号预处理能够满足作为超声探测中低噪声前端放大功能的要求。但仅采用该方法，从图中仍难以明确判断目标的位置。</DIV>
<DIV> 2)解卷积处理</DIV>
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利用盲解卷积的方法，将超声激励从探测信号中分离出去，获得的超声传播通道特性(即介质冲击响应)如图9所示。</DIV>
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<DIV align=center></DIV>
<DIV align=center>图9 超声传播通道特性</DIV>
<DIV>
对通道特性取平方后的特性。使得目标的发射系数信号远大于土壤散射信号，从而使得目标位置更加明晰，如图10所示。管线目标位于约为0.7ms处(考虑超声回波信号的往返时间，即管线目标的准确位置对应于图7的1.4ms处)。经测试，超声波在试验池中的传播速度范围大致在1500m／s左右，根据上述参数，可以估计池壁距离大致在1.05m左右，与实测数据近似相等。</DIV>
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<DIV align=center>图10 对超声传播通道特性取平方</DIV>
<DIV>
综上所述．采用基于指数放大和盲解卷的信号处理方法，能够有效地避开超声探头余振信号的影响且有效地分辨出导向钻孔壁后方的管线目标，效果明显。</DIV>
<DIV><STRONG> 5
</STRONG><STRONG>结论与展望</STRONG></DIV>
<DIV>
针对水平导向钻进施工过程中采用传统探测方式存在风险和安全隐患的问题，本文将超声探测引入地下管线探测领域，提出了一种新颖的探测解决方案。经模型系统试验验证了该方案的可行性，为实际工程样机的研制提供了理论依据。</DIV>
<DIV>
需指出的是，随着我国经济建设和城市化进程的发展，越来越多的城市建设工程使用水平导向钻铺设地下管线。因此，开发地下管线随钻探测预警系统具有明显的现实意义，具有广阔的市场前景。</DIV>
<DIV> </DIV>
<DIV><STRONG> </STRONG><STRONG>参考文献</STRONG></DIV>
<DIV> [1] 林书玉．超声换能器的原理及设计[M]．北京：科学出版社，2004．</DIV>
<DIV> [2] 冯若．姚锦钟等．超声手册[M]．南京：南京大学出版社，2001．</DIV>
<DIV> [3] Jorgen Arendt Jensen， Sidney
Leeman．Nonparametric Estimation of ultrasound：Pulses [J]．IEEE
Transactions on Biomedical．Engineering． Vol．41．：No．10．October
1994．929～936</DIV>
<DIV> </DIV>
<DIV align=right>上海华贻电力市政建设工程有限公司 马福海 陈忠平</DIV>
<DIV align=right>国防科技大学机电工程研究所 王建伟
徐慧峰</DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><BR>本文引用地址：<A
href="http://www.feikaiwa.org/daoxiang/2006/1110/content_248.htm">http://www.feikaiwa.org/daoxiang/2006/1110/content_248.htm</A></P></DIV>
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