[發明專利]一種基于聲波渡越時間測量的地下管道定位系統及方法

有效

• 申請號: 202010439415.4
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111624552B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 李志華;魯晗
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G01S5/30;G01C21/16;G01C21/18;G01S19/24;G01S19/42
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 曹雄

1.一種基于聲波渡越時間測量的地下管道定位系統，其特征在于，包括數據采集器和數據處理器，其中，所述數據采集器包括：

管道數據采集器，其置于位于地下的管道中，并以速度v₁沿著管道運動；所述管道數據采集器用于采集第一聲波數據；

n₂個位于管道附近且置于地面，用于采集第二聲波數據的地面數據采集器；n₂大于等于3；

當用錘擊裝置錘擊地面產生聲波信號后，由地面、管道數據采集器進行第一、二聲波數據的采集，而其中，采集到的聲波數據將傳輸到數據處理器，由所述數據處理器：

首先，對第一、二聲波數據進行接收；

其次，對接收到的第一、二聲波數據進行互相關處理，得到聲波的渡越時間；

其次，根據所述聲波的渡越時間和聲波的傳播速度，計算管道數據采集器到每個地面數據采集器之間的距離r₁、...、r_i，i＝n₂；

其次，依據前述計算到的距離數據r₁、...、r_i和每個地面數據采集器所處的位置信息，通過多點聲波定位法進行管道數據采集器的初始定位；

最后，將由多點聲波定位法定位到的管道數據采集器位置信息，與采用使用捷聯式慣性導航依據慣導數據計算得到的管道數據采集器位置信息，進行數據融合處理，完成對地下管道的最終定位；其中，所述捷聯式慣性導航包括了三軸陀螺儀和三軸加速度計；所述捷聯式慣性導航安裝在管道數據采集器上，用于采集管道數據采集器的慣導數據，所述慣導數據包括測量到的陀螺儀數據和加速度計數據，通過所述陀螺儀數據和加速度計數據反映管道數據采集器的運動情況。

2.根據權利要求1所述的地下管道定位系統，其特征在于，所述數據處理器包括互相關處理裝置、距離計算模塊、初始定位模塊和數據融合模塊，其中：

所述互相關處理裝置，用于對第一及二聲波數據進行接收及互相關處理，得到聲波的渡越時間；

所述距離計算模塊，用于根據所述聲波的渡越時間和聲波的傳播速度，計算得到管道數據采集器到每個地面數據采集器之間的距離r₁、...、r_i，i＝n₂；

所述初始定位模塊，用于根據距離參數r₁、...、r_i和已知的n₂個地面數據采集器所處的位置，進行管道數據采集器的初始定位；

所述數據融合模塊，用于對初始定位模塊定位到的管道數據采集器的位置信息，與采用使用捷聯式慣性導航依據慣導數據計算得到的管道數據采集器位置信息，進行卡爾曼濾波處理，通過校正陀螺儀數據隨時間的累積誤差，實現對地下管道的最終定位。

3.根據權利要求2所述的地下管道定位系統，其特征在于，所述地下管道定位系統包括三個地面數據采集器，在得到管道數據采集器與三個地面數據采集器之間的距離r₁、r₂、r₃后，建立坐標系，通過三點聲波定位法，得到管道數據采集器的初始定位信息。

4.根據權利要求1所述的地下管道定位系統，其特征在于，所述管道、地面數據采集器均包括依次電性連接的檢波器、信號處理模塊、模數轉換模塊、ARM處理器和GPS模塊；其中：

由所述ARM處理器控制管道、地面數據采集器的正常運行；

當所述檢波器檢測到的聲波信號后，依次經過信號處理模塊、模數轉換模塊進行放大和模數轉換后，由GPS模塊提供經緯度信息以及系統時間信息，保證管道、地面數據采集器對聲波信號的同步采集。

5.根據權利要求4所述的地下管道定位系統，其特征在于，為了對采集到的聲波、慣導數據進行實時存儲，所述管道、地面數據采集器中還設有數據存儲模塊；

對于聲波數據的存儲，在由GPS模塊授時同步采集到聲波信號后，對所述聲波信號進行放大、濾波和模數轉換后，存儲到數據存儲模塊；

對于慣導數據的存儲，在由慣導模塊采集到慣導數據后，將通過串口傳輸慣導數據到ARM處理器，由所述ARM處理器將慣導數據存儲到數據存儲模塊。