0 引言

    城市地下排水管網建設和維護是“十三五”時期新型城鎮化建設中的重大工程，是“海綿城市”建設的重要組成部分^[1]。排水管網系統是城市的“排泄系統”，擔負著城市居民生活污水、工業廢水、雨水等液體的收集、輸送和處理功能。一旦排水管道出現破損裂縫、塌陷、泥沙堵塞等病癥問題，必然會導致排水管道經過區域內的水生態系統被破壞、土壤被污染、城市內澇等嚴重后果^[2]。

    排水管道檢測系統能夠檢測出管道的病癥，保證相關部門能及時維修受損的管道。目前排水管道檢測系統主要有3種：管道閉路電視檢測系統(Closed-Circuit Television，CCTV)、潛望鏡檢測系統和聲納檢測系統。CCTV檢測是使用最久的檢測方法之一，在歐美有30多年的使用歷史，其主要采用視頻技術，利用檢測小車在管道中移動并記錄管道內壁視頻，由技術人員對錄像進行分析，從而評估管道的狀況^[3]。CCTV技術雖然成熟，但實際操作非常復雜。在CCTV檢測前需對管道進行封堵、吸淤泥、清洗、抽水等預處理，并且受天氣影響大，如雨天不能施工，檢測成本高。聲納成像技術是近幾年興起的管道檢測技術等，其施工前不需要對排水管道做任何預處理，聲納裝置在管道中行進一遍就可實時顯示管道狀況，下雨天也可正常施工，具有檢測簡單、成本低、效果好等優點。目前國內使用的管道聲納檢測儀器全部采用進口設備，本文設計的系統實現了排水管道聲納成像檢測儀器的國產化。

1 排水管道聲納成像技術原理

    排水管道聲納成像技術的工作原理是以脈沖反射波為基礎的^[4]。儀器內部裝有步進電機和聲納聚焦換能器，利用步進電機帶動換能器在排水管道中繞自身360°旋轉并連續發射聲納信號，反射信號的傳播時間和幅度被測量并記錄下來顯示成管道截面圖，通過觀測管道截面圖的完整性檢測出病癥管道。

    換能器與管壁之間的距離可由反射信號的傳播時間計算得到^[5，6]。計算公式如下：

其中：v是聲納在污水中的傳播速度，檢測前從被檢管道中取水樣裝入已知尺寸的容器中實測得到；t是反射信號的傳播時間；d是換能器與管壁之間的距離。

    反射波幅度可以反應管道壁的各種性質^[5-6]。反射波能量的大小可以利用反射系數R來表示，反射系數的表達式如下：

其中：ρ₁、v₁分別是管道內污水的密度和聲波速度，ρ₂、v₂分別是排水管道管壁的密度和聲波速度，其兩者乘積?籽v叫作聲阻抗，反應管道的聲學特性。

2 排水管道聲納成像檢測系統

2.1 系統總體結構

    排水管道聲納成像系統是一個復雜的控制、數據采集系統，由主控制器（帶專用采集軟件）、探頭（又稱水下單元，自帶漂浮裝置）和電纜盤三部分組成^[7-9]。整個系統構成以及模擬作業圖如圖1所示。

2.2 主控制器設計

    主控制器是系統的控制核心，通過USB接口接收計算機的控制命令[10]，按照協議格式編碼組成“命令包”發送給探頭。主控制器接收探頭通過長距離電纜線傳輸上來的“數據包”，數據包中包括模擬信號和數字信號，經模擬開關電路判別后，數字信號在CPLD芯片XC95144XL中按照協議格式解碼，模擬信號經過信號調理后由模數轉換芯片AD7760轉換, 數據經存儲器IS61WV25616AL緩沖后傳輸給微控制器，通過專用算法分析數據，剔除干擾雜波，得到有用數據，最后通過USB接口傳輸給計算機顯示。圖2是主控制器數據采集及控制電路框圖。

    排水管道聲納回波信號檢測屬于弱信號檢測范疇^[11]，并且隨著管道管徑大小的不同或管壁腐蝕破損程度的不同，回波信號的幅度差別很大，從微伏級到伏級，對數據采集系統特別是模數轉換器的采樣速度、精度以及動態范圍都有較高的要求。本系統采用一款2.5 MHz數據輸出、24 bit高精度、寬動態范圍的模數轉換器AD7760，其硬件電路原理圖如圖3所示。

2.3 探頭設計

    探頭是整個系統的傳感器集合體，包括聲納傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、姿態傳感器等。探頭接收到主控制器發送來的“命令包”后，按照協議格式解碼執行命令，然后將采集到的數據(包括聲納信號、溫度值、電壓值、傾角值、轉角值等編碼)組成“數據包”后發送給主控制器。圖4是探頭數據采集及信號驅動電路框圖。

    排水管道聲納成像系統中聲納回波信號的質量除了與換能器的固有特性有關外，主要取決于聲納換能器的激發電路和接收電路。圖5是聲納換能器大功率高壓激發電路原理圖，此電路在變壓器次級產生峰值600 V的高壓脈沖。圖6是聲納換能器接收電路中壓控增益放大器AD603的電路原理圖，接頭J7連接儀器面板上的10 kΩ電位器，通過調節電位器，信號增益在0 dB～40 dB之間變化，D5～D8 4個二極管IN4148使AD603的輸入限幅在-1.4 V～+1.4 V。

3 實驗結果與分析

    實驗分為兩部分，一是在室內利用模擬管道進行實驗，在已知模擬管道直徑和缺陷點位置的情況下，驗證采集的聲納回波信號是否能真實反應模擬管道缺陷的實際情況，同時驗證系統設計的合理性；二是在現場真實排水管道中進行實驗，驗證各項性能指標是否達到設計要求，同時驗證整個檢測系統在野外惡劣環境下的穩定性。圖7是排水管道聲納成像系統實物圖，左邊是主控制器，右邊是電纜線，前邊是探頭以及漂浮裝置，電纜線一邊連接主控制器，另一邊連接探頭。

    模擬管道采用一個在內壁周圍涂滿混凝土的圓形塑料桶制作而成，實測直徑238 mm。將探頭置于塑料桶中，聲納波對塑料桶內壁連續旋轉掃描，步進角0.9°，每圓周掃描400次，根據聲納回波信號的傳播時間和幅度繪制成圖，圖像清晰反應塑料桶的內壁狀況，并且能準確定位和標示出人為缺陷。圖8顯示出了放入桶中的4根手指，圖9顯示出了放入桶中的塑料擋板。塑料桶直徑以及各種缺陷的實際尺寸和測試尺寸對比結果如表1所示。結果顯示，系統誤差率低，精度能滿足實際應用。

    排水管道聲納成像系統多次在現場排水管道中進行工程檢測實驗。圖10是湖南常德市排水管道淤泥普查項目中的一個聲納成像圖，排水管道直徑800 mm，淤泥厚度122 mm，管道15%截面積被堵塞，達到了清淤要求，并且從圖中觀察到了管道中存在大量懸浮物。排水管道直徑的測試誤差如表1所示。

4 結論

    本文對市政排水管道檢測中的聲納成像技術進行研究，介紹了管道聲納成像儀的系統設計架構，實現了對實驗室模擬管道以及現場市政排水管道的測試。實驗結果表明，本文設計的管道聲納成像儀符合“城鎮排水管道檢測與評估技術規程(CJJ 181-2012)”中要求的聲納檢測儀器的標準，達到了國外同種儀器的水平，能實時檢測并顯示排水管道的各種缺陷，具有便攜性、低功耗、管道缺陷清晰等優異的性能和良好的市場應用前景。

參考文獻

[1] 車伍，張鵾，趙楊.我國排水防澇及海綿城市建設中若干問題分析[J]．建設科技，2016(1)：22-25．

[2] 王棟．水利部摸底地下水資源:八成不能飲用遭污染超采[N]．每日經濟新聞，2016-04-11(15)．

[3] 安關峰.《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》CJJ181-2012實施指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4] 肖立志，張元中，吳文圣，等.成像測井學基礎[M].北京：石油工業出版社，2010.

[5] 龐巨豐，李長星，施振飛，等.測井原理及儀器[M].北京：科學出版社，2008.

[6] 馮啟寧，鞠曉東，柯式鎮，等.測井儀器原理[M].北京：石油工業出版社，2010.

[7] PACE N G.Ultrasonic surveying of fully charged sewage pipes[J].Electronics and Communications Engineering Journal，1994(6)：87-92．

[8] GHAZALI S N M，YAHYA N A M，SULAIMAN S.Charac-terization of Fiber Bragg Grating as optical temperature sensor for pipeline water leakage inspection[C].System Engineering and Technology(ICSET)，2013 IEEE 3rd International Conference on，2013：173-177．

[9] GOMEZ F，ALTHOEFER K，SENEVIRATNE L D.Modeling of ultrasound sensor for pipe inspection[C].Robotics and Automation，2003.Proceedings.ICRA′03.IEEE International Conference on，2003，2(2)：2555-2560．

[10] 劉志華，郭付才，彭新偉，等.基于CY7C68013A的FPGA配置和通信接口設計[J].電子技術應用，2013，39(2)：18-21．

[11] 蔡鄂，李東明，胡亞斌，等.基于MEMS的遠程橋梁索力監測系統設計[J].電子技術應用，2015，41(10)：68-70．

作者信息:

王永濤1，朱  珺1，2，李東明1，胡亞斌1

（1.中國地質大學（武漢） 自動化學院，湖北 武漢430074；2.湖北廣播電視大學 電信學院，湖北 武漢430074）