0 引言
城市地下排水管网建设和维护是“十三五”时期新型城镇化建设中的重大工程，是“海绵城市”建设的重要组成部分[1]。排水管网系统是城市的“排泄系统”，担负着城市居民生活污水、工业废水、雨水等液体的收集、输送和处理功能。一旦排水管道出现破损裂缝、塌陷、泥沙堵塞等病症问题，必然会导致排水管道经过区域内的水生态系统被破坏、土壤被污染、城市内涝等严重后果[2]。
排水管道检测系统能够检测出管道的病症，保证相关部门能及时维修受损的管道。目前排水管道检测系统主要有3种：管道闭路电视检测系统(Closed-Circuit Television，CCTV)、潜望镜检测系统和声纳检测系统。CCTV检测是使用最久的检测方法之一，在欧美有30多年的使用历史，其主要采用视频技术，利用检测小车在管道中移动并记录管道内壁视频，由技术人员对录像进行分析，从而评估管道的状况[3]。CCTV技术虽然成熟，但实际操作非常复杂。在CCTV检测前需对管道进行封堵、吸淤泥、清洗、抽水等预处理，并且受天气影响大，如雨天不能施工，检测成本高。声纳成像技术是近几年兴起的管道检测技术等，其施工前不需要对排水管道做任何预处理，声纳装置在管道中行进一遍就可实时显示管道状况，下雨天也可正常施工，具有检测简单、成本低、效果好等优点。目前国内使用的管道声纳检测仪器全部采用进口设备，本文设计的系统实现了排水管道声纳成像检测仪器的国产化。
1 排水管道声纳成像技术原理
排水管道声纳成像技术的工作原理是以脉冲反射波为基础的[4]。仪器内部装有步进电机和声纳聚焦换能器，利用步进电机带动换能器在排水管道中绕自身360°旋转并连续发射声纳信号，反射信号的传播时间和幅度被测量并记录下来显示成管道截面图，通过观测管道截面图的完整性检测出病症管道。
换能器与管壁之间的距离可由反射信号的传播时间计算得到[5，6]。计算公式如下：
其中：v是声纳在污水中的传播速度，检测前从被检管道中取水样装入已知尺寸的容器中实测得到；t是反射信号的传播时间；d是换能器与管壁之间的距离。
反射波幅度可以反应管道壁的各种性质[5-6]。反射波能量的大小可以利用反射系数R来表示，反射系数的表达式如下：
其中：ρ1、v1分别是管道内污水的密度和声波速度，ρ2、v2分别是排水管道管壁的密度和声波速度，其两者乘积?籽v叫作声阻抗，反应管道的声学特性。
2 排水管道声纳成像检测系统
2.1 系统总体结构
排水管道声纳成像系统是一个复杂的控制、数据采集系统，由主控制器（带专用采集软件）、探头（又称水下单元，自带漂浮装置）和电缆盘三部分组成[7-9]。整个系统构成以及模拟作业图如图1所示。
2.2 主控制器设计
主控制器是系统的控制核心，通过USB接口接收计算机的控制命令[10]，按照协议格式编码组成“命令包”发送给探头。主控制器接收探头通过长距离电缆线传输上来的“数据包”，数据包中包括模拟信号和数字信号，经模拟开关电路判别后，数字信号在CPLD芯片XC95144XL中按照协议格式解码，模拟信号经过信号调理后由模数转换芯片AD7760转换, 数据经存储器IS61WV25616AL缓冲后传输给微控制器，通过专用算法分析数据，剔除干扰杂波，得到有用数据，最后通过USB接口传输给计算机显示。图2是主控制器数据采集及控制电路框图。
排水管道声纳回波信号检测属于弱信号检测范畴[11]，并且随着管道管径大小的不同或管壁腐蚀破损程度的不同，回波信号的幅度差别很大，从微伏级到伏级，对数据采集系统特别是模数转换器的采样速度、精度以及动态范围都有较高的要求。本系统采用一款2.5 MHz数据输出、24 bit高精度、宽动态范围的模数转换器AD7760，其硬件电路原理图如图3所示。
2.3 探头设计
探头是整个系统的传感器集合体，包括声纳传感器、气压传感器、温度传感器、姿态传感器等。探头接收到主控制器发送来的“命令包”后，按照协议格式解码执行命令，然后将采集到的数据(包括声纳信号、温度值、电压值、倾角值、转角值等编码)组成“数据包”后发送给主控制器。图4是探头数据采集及信号驱动电路框图。
排水管道声纳成像系统中声纳回波信号的质量除了与换能器的固有特性有关外，主要取决于声纳换能器的激发电路和接收电路。图5是声纳换能器大功率高压激发电路原理图，此电路在变压器次级产生峰值600 V的高压脉冲。图6是声纳换能器接收电路中压控增益放大器AD603的电路原理图，接头J7连接仪器面板上的10 kΩ电位器，通过调节电位器，信号增益在0 dB～40 dB之间变化，D5～D8 4个二极管IN4148使AD603的输入限幅在-1.4 V～+1.4 V。
3 实验结果与分析
实验分为两部分，一是在室内利用模拟管道进行实验，在已知模拟管道直径和缺陷点位置的情况下，验证采集的声纳回波信号是否能真实反应模拟管道缺陷的实际情况，同时验证系统设计的合理性；二是在现场真实排水管道中进行实验，验证各项性能指标是否达到设计要求，同时验证整个检测系统在野外恶劣环境下的稳定性。图7是排水管道声纳成像系统实物图，左边是主控制器，右边是电缆线，前边是探头以及漂浮装置，电缆线一边连接主控制器，另一边连接探头。
模拟管道采用一个在内壁周围涂满混凝土的圆形塑料桶制作而成，实测直径238 mm。将探头置于塑料桶中，声纳波对塑料桶内壁连续旋转扫描，步进角0.9°，每圆周扫描400次，根据声纳回波信号的传播时间和幅度绘制成图，图像清晰反应塑料桶的内壁状况，并且能准确定位和标示出人为缺陷。图8显示出了放入桶中的4根手指，图9显示出了放入桶中的塑料挡板。塑料桶直径以及各种缺陷的实际尺寸和测试尺寸对比结果如表1所示。结果显示，系统误差率低，精度能满足实际应用。
排水管道声纳成像系统多次在现场排水管道中进行工程检测实验。图10是湖南常德市排水管道淤泥普查项目中的一个声纳成像图，排水管道直径800 mm，淤泥厚度122 mm，管道15%截面积被堵塞，达到了清淤要求，并且从图中观察到了管道中存在大量悬浮物。排水管道直径的测试误差如表1所示。
4 结论
本文对市政排水管道检测中的声纳成像技术进行研究，介绍了管道声纳成像仪的系统设计架构，实现了对实验室模拟管道以及现场市政排水管道的测试。实验结果表明，本文设计的管道声纳成像仪符合“城镇排水管道检测与评估技术规程(CJJ 181-2012)”中要求的声纳检测仪器的标准，达到了国外同种仪器的水平，能实时检测并显示排水管道的各种缺陷，具有便携性、低功耗、管道缺陷清晰等优异的性能和良好的市场应用前景。
参考文献
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[11] 蔡鄂，李东明，胡亚斌，等.基于MEMS的远程桥梁索力监测系统设计[J].电子技术应用，2015，41(10)：68-70．
作者信息:
王永涛1，朱 珺1，2，李东明1，胡亚斌1
（1.中国地质大学（武汉） 自动化学院，湖北 武汉430074；2.湖北广播电视大学 电信学院，湖北 武汉430074）
