能器陣列信號在PC中采用升、降線性調(diào)頻信號進行信號分辨及相關(guān)峰提取，在PC機中進行斷面掃描點成像映射以及結(jié)果輸出、判斷。在PC機中對接收換能器陣列接收到的各發(fā)射傳感器信號進行相關(guān)峰檢測從而獲取各掃描點特征參數(shù)并進行斷面掃描成像，下面結(jié)合圖2對此過程進行具體描述:在本發(fā)明實施例中發(fā)射換能器陣列Tl、T2安裝于管渠底部分別發(fā)射中心頻率40kHz的升、降線性調(diào)頻脈沖信號，接收換能器陣列R1，…，RlO安裝于污水管渠5頂部對Tl、T2發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號進行接收。由于本領(lǐng)域通用的發(fā)射、接收換能器器具有的發(fā)射、接收指向性波束較寬，10個接收換能器均能接收到T1、T2發(fā)射的升、降線性調(diào)脈沖信號，Tl至R1，…，RlO之間形成10條聲信號直達路徑，Τ2至R1，…，RlO間同樣形成10條聲信號直達路徑，這16條路徑覆蓋了污水管渠斷面的主要部分并在斷面內(nèi)形成1+5+9+13+17=45個交叉點(構(gòu)成45個斷面掃描點)。當(dāng)污水管渠5斷面流過的污水中含有固體垃圾時，由于固體垃圾對這20條收發(fā)陣列之間聲波信號直達路徑中的部分路徑形成遮擋效應(yīng)，被遮擋區(qū)域?qū)?yīng)的聲直達路徑意味著該路徑接收信號幅度將大幅度減小，即:接收幅度大幅度減小的收發(fā)路徑形成的交叉點反應(yīng)了固體垃圾造成的遮擋區(qū)域。按照本實施例收發(fā)陣列設(shè)置的掃描成像映射關(guān)系，圖2中的固體垃圾分布，造成了有7個斷面掃描點受到固體垃圾影響，具體說明如下，Tl發(fā)射的信號中:T1-R8，T1-R9直達路徑被遮擋，信號幅度明顯降低；T2發(fā)射的信號中:T2-R3, T2-R4, T2-R5, T2-R6被遮擋，信號幅度明顯降低。則，通過升降線性調(diào)頻信號分別檢測R1，…，RlO接收到的Tl、Τ2發(fā)射信號，并獲取每個發(fā)射-接收關(guān)系對應(yīng)的相關(guān)峰幅度，T1-R8, T1-R9收發(fā)直達線與T2-R3，T2-R4, T2-R5, T2-R6收發(fā)直達線形成的7個斷面掃描點，每個斷面掃描點對應(yīng)的2條交叉的收發(fā)直達線對應(yīng)的接收信號相關(guān)峰幅度均明顯低于其余未被固體垃圾遮擋區(qū)域?qū)?yīng)的相關(guān)峰幅度，通過映射可形成如圖2的斷面掃描成像結(jié)果。該結(jié)果反映了固體垃圾所在的污水深度和尺寸，通過固體垃圾所在污水深度，由于密度越小的固體垃圾在污水中所處深度越淺，則可獲得其材質(zhì)信息。污水管渠底部由于處于該區(qū)域固體垃圾密度較大，一般不隨污水流動，因此本實施例出于系統(tǒng)實現(xiàn)成本考慮，未在此區(qū)域斷面設(shè)置收發(fā)掃描進行成像。在本實用新型技術(shù)的實際應(yīng)用中，如需要可按照同樣原理對此區(qū)域斷面進行掃描。
[0029]因此，在PC中的成像輸出模塊只需通過匹配濾波計算接收陣列各接收換能器接收的各發(fā)射信號相關(guān)峰，并通過以下關(guān)系換算為每個斷面掃描點對應(yīng)的特征參數(shù)，即可進行斷面掃描圖像映射。VTm-Rn為對Tm-Rn收發(fā)信號進行本領(lǐng)域通用的匹配濾波處理獲得的相關(guān)峰幅度，其中m，η為發(fā)射、接收編號，下文中p、q也為發(fā)射、接收編號；由于T1、T2分別采用升、降線性調(diào)頻脈沖發(fā)射，接收陣列接收Tl、Τ2同時發(fā)射的信號后采用本領(lǐng)域通用的匹配濾波技術(shù)即可從接收信號中方便地分辨出每個發(fā)射換能器的對應(yīng)信號，同時，采用匹配濾波處理后提取接收信號匹配濾波輸出的第一個相關(guān)峰的峰值可有效抑制在封閉、狹窄的污水管渠內(nèi)信號多次反射造成的影響。則，污水管渠斷面內(nèi)Tm-Rn與Tp-Rq形成的斷面掃描點特征參數(shù)定義為:Kmn-Pq=VTm-RnXVTp-Rq。由此定義可知，斷面掃描點特征參數(shù)反映了污水中固體垃圾對對應(yīng)收發(fā)路線造成的被阻隔現(xiàn)象，斷面掃描點的特征參數(shù)值越小代表該區(qū)域存在的固體垃圾遮擋現(xiàn)象越嚴(yán)重。通過將整個斷面內(nèi)掃描點特征參數(shù)進行二維成像，并在PC機顯示器上進行圖形顯示，操作人員即可獲得固體垃圾位置、尺寸的信息。進而可根據(jù)密度關(guān)系，通過固體垃圾在污水水體中的深淺位置獲得固體垃圾材質(zhì)信息。同時，由于污水液面變化造成的初始接收信號幅度不同已經(jīng)由接收電路中PC機控制增益控制芯片AD603根據(jù)各通道接收信號幅度進行調(diào)整，具體實現(xiàn)過程為:PC機接收并判斷當(dāng)前水位下各接收通道初始信號幅度，并根據(jù)此幅度從PC機通過PCI總線DA轉(zhuǎn)換卡輸出適當(dāng)?shù)目刂齐妷篏1，…，GlO控制10個接收通道對應(yīng)的AD603芯片的增益(如圖6所示)，從而可調(diào)整各接收換能器接收信號的初始幅度保持基本一致，不受管渠中污水液面變化的影響(在污水溢滿狀態(tài)下，發(fā)射、接收換能器均浸沒于污水中時系統(tǒng)也可正常工作)。
[0030]本實施例中，斷面內(nèi)掃描點特征參數(shù)進行二維成像并在PC機顯示器上進行圖形顯示后，可采用本領(lǐng)域通用的圖像特征提取算法對斷面圖像中固體垃圾位置、尺寸信息進行自動提取，從而可實現(xiàn)通過人工或自動設(shè)置模型進行泵站粉碎格柵的啟動及工作模式優(yōu)化控制，并可通過設(shè)置固體垃圾位置、尺寸的報警門限進行自動報警。由于污水管渠內(nèi)空間狹窄、封閉，且污水中混有大量的泥沙、雜質(zhì)、污物、固體垃圾等雜質(zhì)，水質(zhì)極度渾濁且呈嚴(yán)重的不均勻特性。在這樣惡劣的條件下，常規(guī)的光學(xué)、電磁波、超聲波探測方法均無法進行對污水內(nèi)固體垃圾的材質(zhì)、尺寸進行掃描成像探測。本實用新型提出的一種斷面掃描成像聲納裝置可很好地解決這一問題，為極端天氣等突發(fā)情況下城市污水的應(yīng)急監(jiān)控和處理提供方便、可靠的探測手段。本實用新型公開的污水管渠斷面掃描成像聲納裝置最大的特點在于利用管渠斷面內(nèi)固體垃圾對收、發(fā)換能器陣列間聲傳播直達徑的遮擋效應(yīng)實現(xiàn)對水質(zhì)不均勻、狹窄、封閉、水位變化的管渠中固體垃圾位置、尺寸信息的斷面掃描檢查及圖形化監(jiān)測，由于采用發(fā)射不同可分辨信號(升降線性調(diào)頻信號或偽隨機碼)的發(fā)射換能器陣列進行陣列聲波信號發(fā)射，收發(fā)陣列中每對發(fā)射-接收換能器在管渠斷面形成的多條聲傳播路徑的交點可構(gòu)成多個掃描點，這些掃描點的接收信號可通過偽隨機碼進行區(qū)分探測從而獲取每個掃描點對應(yīng)的聲通過特性并由此進行斷面掃描成像，與傳統(tǒng)需采用復(fù)雜、高成本的波束形成技術(shù)形成尖銳超聲探測波束實現(xiàn)尺寸探測的方法相比，本實用新型提出的斷面掃描成像聲納裝置具有成本低、安裝使用方便、可以圖像形式可視化檢測固體垃圾材質(zhì)、尺寸信息的突出優(yōu)點。
[0031]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制發(fā)明，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:包括發(fā)射電路、發(fā)射換能器陣列、接收換能器陣列、接收電路、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理及掃描成像輸出模塊；所述發(fā)射電路產(chǎn)生多個具有尖銳相關(guān)特性的發(fā)射信號并連接到發(fā)射換能器陣列；發(fā)射換能器陣列安裝在污水管渠的底部，發(fā)射聲信號；接收換能器陣列安裝在污水管渠的頂部，接收發(fā)射換能器陣列所發(fā)出的聲信號，并將聲信號轉(zhuǎn)換為陣列掃描信號；接收電路連接接收換能器陣列，將接收換能器陣列的陣列掃描信號經(jīng)前置放大、增益控制和帶通濾波處理后傳送至多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將經(jīng)接收電路處理后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；信號處理及掃描成像輸出模塊通過數(shù)據(jù)線連接多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊所產(chǎn)生的數(shù)字信號進行特征提取，顯示出污水中固體垃圾的位置和尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:所述發(fā)射換能器陣列包括多個發(fā)射換能器，接收換能器陣列包括多個接收換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:所述發(fā)射換能器陣列包括2個發(fā)射換能器，接收換能器陣列包括10個接收換能器器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:所述發(fā)射換能器和接收換能器選用防水型T/R40-16換能器，其中心頻率為40kHz，防水封裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:所述接收電路由前置芯片NJM2100組成的前置放大電路、AD603芯片組成的增益控制電路和MAX274芯片組成的40kHz帶通濾波電路組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，其特征在于:所述多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由1394接口和10通道模數(shù)采集卡組成，將信號以200ksps的速率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過1394接口將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送至上位機。
【專利摘要】本實用新型公開了一種管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置，包括發(fā)射電路、發(fā)射換能器陣列、接收換能器陣列、接收電路、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理及掃描成像輸出模塊；所述發(fā)射電路用于連接到發(fā)射換能器陣列以發(fā)射陣列掃描信號；發(fā)射換能器陣列安裝在污水管渠的底部，發(fā)射超聲波信號；接收換能器陣列安裝在污水管渠的頂部，接收發(fā)射換能器陣列所發(fā)出的聲波信號，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理及掃描成像輸出模塊對接收聲信號進行處理后實現(xiàn)斷面掃描成像。采用上述技術(shù)方案后，本實用新型管渠污水的斷面掃描成像聲納裝置能夠?qū)ξ鬯芮泄腆w垃圾進行斷面掃描成像，獲取固體垃圾的材質(zhì)、尺寸等信息從而進行泵站粉碎設(shè)備的控制以及時進行處理，維護方便成本低廉。
【IPC分類】G01S15-89, G01S15-06
【公開號】CN204314459
【申請?zhí)枴緾N201420650012
【發(fā)明人】童峰, 郭子成, 孫傳書, 張世靈
【申請人】環(huán)創(chuàng)(廈門）科技股份有限公司
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年11月4日