[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于淺灘掩埋管道超聲探測(cè)與定位的檢測(cè)系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810069599.2
• 申請(qǐng)日: 2018-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN108488636A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白志亮;陳世利;謝思捷;曾周末
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): F17D5/06
• 分類號(hào): F17D5/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于淺灘掩埋管道超聲探測(cè)與定位的檢測(cè)系統(tǒng)，包括：多通道信號(hào)發(fā)生器模塊，用于產(chǎn)生頻率可調(diào)、脈沖數(shù)可調(diào)、時(shí)延可控的聲波發(fā)射信號(hào)；功率放大模塊，用于將聲波發(fā)射信號(hào)放大至高壓信號(hào)，并激勵(lì)換能器向介質(zhì)中發(fā)射聲波信號(hào)；聲回波接收模塊，用于接收聲波信號(hào)，包括：隔離限幅電路、壓控放大電路、AD采集電路；核心主控板，為8層PCB結(jié)構(gòu)，疊層順序?yàn)樾盘?hào)層、地層、信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層、地層、信號(hào)層，在信號(hào)層之間增加底層屏蔽，所述核心主控板用于命令參數(shù)配置、采樣觸發(fā)、數(shù)字濾波、以及數(shù)據(jù)通信，包括：FPGA子模塊、以及USB2.0子模塊。本發(fā)明最終能夠穩(wěn)定地獲取聲學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)的算法處理得到管道探測(cè)定位結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及淺灘掩埋管道超聲探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于FPGA和LabVIEW的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

淺灘掩埋輸油管道泄露搶修圍堰作業(yè)是常見的工程技術(shù)，在當(dāng)前技術(shù)條件下，圍堰作業(yè)由于尚不能精確定位到管道位置，無(wú)法有效地縮小作業(yè)范圍而導(dǎo)致較大的維修成本和事故風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)淺灘掩埋環(huán)境下輸油管道泄漏搶修圍堰作業(yè)的智能化和自動(dòng)化，對(duì)管道徑向橫截面圓位置的精確定位必不可少。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專門研究此類可在施工開挖作業(yè)過(guò)程中對(duì)掩埋管道目標(biāo)邊緣位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)備系統(tǒng)^[1]。

淺灘環(huán)境是一種類似于海底的泥沙與水混合的非均勻介質(zhì)，基于聲吶的探測(cè)定位技術(shù)在此類環(huán)境中是一項(xiàng)應(yīng)用成熟但仍然在不斷發(fā)展中的技術(shù)。目前世界上廣泛使用的水下掩埋管道探測(cè)技術(shù)有ROV技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)、多波束測(cè)深與側(cè)掃聲吶混合技術(shù)、海洋磁力儀、CHIRP型淺剖儀、參量陣淺剖儀等，隨著相關(guān)行業(yè)受各國(guó)重視程度和科研投入的不斷加強(qiáng)，近幾年也催生出許多新的海底管道探測(cè)技術(shù)，如合成孔徑聲吶、三維海底成像系統(tǒng)等^[2]。

總體而言，淺灘掩埋管道的探測(cè)和定位方法可以從以上海洋技術(shù)中得以借鑒和應(yīng)用，但任何一種方法均不能單獨(dú)的成為淺灘掩埋管道探測(cè)的全部技術(shù)解決方案，必須綜合考慮各方面條件因素，從聲學(xué)探測(cè)的基礎(chǔ)理論入手，并結(jié)合淺灘掩埋管道的聲學(xué)模型來(lái)著手相關(guān)問題的研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于淺灘掩埋管道超聲探測(cè)與定位的檢測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明以FPGA和LabVIEW平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了超聲發(fā)射采集系統(tǒng)的整體方案，融合了聲波發(fā)射、信號(hào)功率放大、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與通信等功能，最終能夠穩(wěn)定地獲取聲學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)的算法處理得到管道探測(cè)定位結(jié)果，詳見下文描述：

一種應(yīng)用于淺灘掩埋管道超聲探測(cè)與定位的檢測(cè)系統(tǒng)，所述檢測(cè)系統(tǒng)包括：

多通道信號(hào)發(fā)生器模塊，用于產(chǎn)生頻率可調(diào)、脈沖數(shù)可調(diào)、時(shí)延可控的聲波發(fā)射信號(hào)；

功率放大模塊，用于將聲波發(fā)射信號(hào)放大至高壓信號(hào)，并激勵(lì)換能器向介質(zhì)中發(fā)射聲波信號(hào)；

聲回波接收模塊，用于接收聲波信號(hào)，包括：隔離限幅電路、壓控放大電路、AD采集電路；

核心主控板，為8層PCB結(jié)構(gòu)，疊層順序?yàn)樾盘?hào)層、地層、信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層、地層、信號(hào)層，在信號(hào)層之間增加底層屏蔽，所述核心主控板用于命令參數(shù)配置、采樣觸發(fā)、數(shù)字濾波、以及數(shù)據(jù)通信，包括：FPGA子模塊、以及USB2.0子模塊。

在功率放大模塊與壓控放大電路之間還設(shè)置有儲(chǔ)能模塊，所述儲(chǔ)能模塊選用電容容值為3000μF的電解電容。

進(jìn)一步地，所述多通道信號(hào)發(fā)生器模塊采用AD9959芯片，由四個(gè)DDS內(nèi)核構(gòu)成基本信號(hào)生成單元，每個(gè)DDS內(nèi)核提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度編程；所有通道共享一個(gè)公共系統(tǒng)時(shí)鐘。

其中，所述功率放大模塊采用OPA445兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式放大電壓，通過(guò)無(wú)輸出電容直接耦合電路放大電流，經(jīng)變壓器變阻和調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器相連。