CN211955820U - 一种地下管道的定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例是关于一种地下管道的定位系统。该系统包括：发射单元，与管道连通，用于向管道内发射声波信号；接收处理单元，设置于地面预设位置处，用于获取通过所述管道辐射至地面的所述声波信号，并将该声波信号按照接收到的功能指令进行处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息，并发送该结果信息；显控单元，分别与所述发射单元和接收处理单元无线通讯连接，并向所述接收处理单元发送所述功能指令，以及接收所述接收处理单元发送的结果信息，并将接收到的结果信息在该显控单元上进行显示。本实用新型实施例不仅实现了地下管道水平位置的精确定位，而且能够精确的测量出管道的深度。

Description

一种地下管道的定位系统

技术领域

本实用新型实施例涉及地下管线探测技术领域，尤其涉及一种地下管道的定位系统。

背景技术

由于PE管道具有抗污染性强、不易腐蚀、造价低廉等优点，被广泛地应用于天然气管道输送工程中。近年来，随着基础设施建设的发展,城市的建筑及道路等发生了巨大变化，部分城区已敷设多年之久的天然气管道其埋深和地面上的参照物都有很大的变动，甚至有的被迫移位、改道，造成了原有竣工图与管线现状难以对号，个别地段则是面貌全非，使竣工图失去了使用价值。给城市新建和天然气管线抢修所必须的开挖工作，带来了极大的困难，稍有不慎就会造成管道断裂，更有可能酿成二次灾害。为避免埋地天然气管道开挖过程中的盲目施工和便于天然气管网的管理与维护，有必要开发针对埋地燃气PE管道的探测技术，并研制出埋地燃气PE管道定位测量系统。

目前在地下管线探测技术领域对金属管道的探测技术已趋于成熟，但对于类似于PE材料的非金属管道的探测仍然是一个难题，由于PE燃气管道为惰性材质制成，不导电，不导磁，埋入地下后无法直接在地面上测到其准确位置。而且现在业内对地下PE燃气管道探测方法如示踪线标识法、探地雷达法、听音法等，这些探测管道的方法大多存在如干扰环境下声波信号识别能力差，探测距离近、不具备深度测量功能，安全性能差以及定位误差大等多种问题。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种地下管道的定位系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种地下管道的定位系统，该系统包括：

发射单元，与管道连通，用于向管道内发射声波信号；

接收处理单元，设置于地面预设位置处，用于获取通过所述管道辐射至地面的所述声波信号，并将该声波信号按照接收到的功能指令进行处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息，并发送该结果信息；

其中，所述功能指令包括系统动态调整功能指令、管道水平定位功能指令和管道深度测量功能指令；

显控单元，分别与所述发射单元和接收处理单元无线通讯连接，并向所述接收处理单元发送所述功能指令，以及接收所述接收处理单元发送的结果信息，并将接收到的结果信息在该显控单元上进行显示。

本实用新型的一实施例中，所述发射单元包括：

信号发生器，用于产生预设频率的信号；

驱动器，用于将所述信号提升预设倍数，以生成驱动信号；

控制器，根据接收的第一指令来调整所述预设倍数的大小；

气体振动器，与所述管道的放散阀连通，且该气体振动器由外部交变磁场驱动，以使该气体振动器在所述管道内产生声波信号；

其中，所述交变磁场由外部交变磁场发生器通过所述驱动信号驱动产生。

本实用新型的一实施例中，所述发射单元还包括第一通讯单元，该第一通讯单元与所述显控单元进行无线交互，用于向所述显控单元发送该发射单元的功率信息，以及用于接收所述显控单元发送的所述第一指令。

本实用新型的一实施例中，所述接收处理单元包括：

拾音器，用于捕获所述管道辐射至地面的声波信号，并将该声波信号转换为电能信号；

滤波器，用于放大所述电能信号，并滤除所述电能信号中的部分杂波与噪声信号，使该电能信号形成为模拟信号；

模数转换器，用于将所述模拟信号转换为数字信号；

数字处理器，根据接收的功能指令完成对所述数字信号的处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息。

本实用新型的一实施例中，所述接收处理单元还包括第二通讯单元，该第二通讯单元与所述显控单元进行无线交互，用于向所述显控单元发送所述结果信息，以及用于接收所述显控单元发送的所述功能指令。

本实用新型的一实施例中，所述显控单元包括：

显示屏，该显示屏包括多个触控键；

显示控制器，根据所述触控键被触发的指令，来控制不同功能模式下的结果信息在所述显示屏上进行显示；

第三通讯单元，用于接收所述发射单元发送的功率信息，和接收处理单元发送的结果信息，以及用于向所述发射单元发送第一指令，和向所述接收处理单元发送功能指令信息。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型的实施例中，根据上述提供的地下管道的定位系统，采用通讯技术将发射单元、接收单元及显控单元结合，使得定位操作更加方便快捷；而且通过在显控单元上显示定位结果，也使得地下管道的定位更加准确；同时，该定位系统具备管道深度定位的功能，为地下管道的定位进一步增加了精确性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本实用新型示例性实施例中地下管道的整体定位系统示意图；

图2示出本实用新型示例性实施例中发射单元的框架示意图；

图3示出本实用新型示例性实施例中接收单元的框架示意图；

图4示出本实用新型示例性实施例中显控单元的框架示意图；

图5示出本实用新型示例性实施例中管道水平定位模式示意图；

图6示出本实用新型示例性实施例中系统动态调整模式示意图；

图7示出本实用新型示例性实施例中水平定位工作原理图；

图8示出本实用新型示例性实施例中信号与噪声频谱示意图；

图9示出本实用新型示例性实施例中管道水平定位测试点放置示意图；

图10示出本实用新型示例性实施例中管道深度定位原理示意图；

图11示出本实用新型示例性实施例中管道深度定位拾音器放置示意图；

图12示出本实用新型示例性实施例中三拾音器测管道深度的原理示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本实用新型实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种地下管道的定位系统。参考图1中所示，该系统可以包括：发射单元100、接收处理单元200和显控单元300。

所述发射单元100与管道连通，用于向管道内发射声波信号；所述接收处理单元200设置于地面预设位置处，用于获取通过所述管道辐射至地面的所述声波信号，并将该声波信号按照接收的功能指令进行处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息，并发送该结果信息；其中，所述功能指令包括系统动态调整功能指令、管道水平定位功能指令和管道深度测量功能指令；所述显控单元300，分别与所述发射单元100和接收处理单元200无线通讯连接，并向所述接收处理单元200发送所述功能指令，以及接收所述接收处理单元200发送的结果信息，并将接收到的结果信息在该显控单元300上进行显示。

根据上述提供的地下管道的定位系统，采用通讯技术将发射单元100、接收处理单元200及显控单元300结合，使得定位操作更加方便快捷；而且通过在显控单元300上显示定位结果，也使得地下管道的定位更加准确；同时，该定位系统具备管道深度定位的功能，为地下管道的定位进一步增加了精确性。

下面，将参考图1至图12对本示例实施方式中的上述地下管道的定位系统的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，发射单元100，与管道连通，用于向管道内发射声波信号。

发射单元100用于产生可探测的声波信号，为整个管道定位提供基础条件。在一个示例中，该发射单元100可以包括，信号发生器，用于产生预设频率的信号；驱动器，用于将所述信号提升预设倍数，以生成驱动信号；控制器，根据接收的第一指令来调整所述预设倍数的大小；气体振动器，与所述管道的放散阀连通，且该气体振动器由外部交变磁场驱动，以使该气体振动器在所述管道内产生声波信号；其中，所述交变磁场由外部交变磁场发生器通过所述驱动信号驱动产生。

具体的，在启动发射单元100前，首先将气体振动器与燃气管道的放散阀连通，具体步骤为，卸掉放散阀堵头，打开放散阀开关排除放散阀内的杂质和水分，关闭放散阀；确认气体振动器与发射机线缆连接完好，使用快速接头将气体振动器与放散阀连接；打开放散阀开关，让气体进入气体振动器内(放散阀开关打开操作必须缓慢，避免气体冲击损坏振动膜)；检查各个连接部位密封状况，如有泄漏，立即关闭放散阀，及时处置；打开气体振动器排气阀门，放气5秒左右，以确保气体振动器内部的压力与管道内相同。具体操作步骤可根据实际情况进行，并不限于此。

为便于理解，将所述信号发生器、驱动器、控制器称为发射机，且该发射机与气体振动器电连接，在实际进行地下燃气管道定位时，所述气体振动器在井道内与所述管道的放散阀连接，发射机放置于井道外附近的地面上，且应平稳放置。

如图2所示，发射单元100开始工作前，首先通过信号发生器产生频率稳定的如470Hz的低频信号，但不限于此，该频率的选取能够同时兼顾音频信号在土壤中的传输特性以及在压缩燃气中的传输特性，可根据实际情况进行设置；然后上述低频信号由信号驱动器放大，且功率提升的倍数可由下述显控单元300通过无线信号控制，具体为，在一个示例中，所述发射单元100还包括第一通讯单元，该第一通讯单元与所述显控单元300进行无线交互，用于向所述显控单元300发送该发射单元100的功率信息，以及用于接收所述显控单元300发送的所述第一指令。为间接保证下述显控单元300的信号显示质量，所述第一通讯单元会接收到由显控单元300发送的第一指令，该第一指令通过第一通讯单元传送到控制器，该控制器用于根据接收的第一指令来调整预设倍数的大小；由第一通讯单元发送至下述显控单元300的功率信息，将会以一具体数值显示于显控单元300上，以便于操作人员参考。

另外，上述低频信号经过预设倍数提升为大功率信号后，将会推动气体振动器内的交变磁场发生器产生交变磁场，磁场带动管道内的气体振动器在管道燃气内产生一定频率的声波信号。需要说明的是，气体振动器结构将电器驱动部件与燃气完全隔离，不仅确保了测试安全，而且满足了国家对危险工作环境下防爆燃要求。更进一步的原理为，声波信号顺着燃气气流沿着管道向远端传输，传输的过程中声波信号也将震动管壁，于是地下管道内的声波信号通过包围管壁的土壤传输到地面，定位系统正是根据地面声波信号的强弱来判断管道的埋设位置的。

在一个实施例中，所述接收处理单元200设置于地面的预设位置处，用于获取通过所述管道辐射至地面的所述声波信号，并将该声波信号按照接收的功能指令进行处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息，并发送该结果信息；其中，所述功能指令包括系统动态调整功能指令、管道水平定位功能指令和管道深度测量功能指令。

所述接收处理单元200为该定位系统的核心单元。在一个示例中，所述接收处理单元200包括：拾音器，用于捕获所述管道辐射至地面的声波信号，并将该声波信号转换为电能信号；滤波器，用于放大所述电能信号，并滤除所述电能信号中的部分杂波与噪声信号，使该电能信号形成为模拟信号；模数转换器，用于将所述模拟信号转换为数字信号；数字处理器，根据接收的功能指令完成对所述数字信号的处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息。

具体的，如图3所示，该接收处理单元200包括拾音器、滤波器、模数转换器、数字处理器以及下述第二通讯单元。拾音器捕获地下管道辐射到地面的声波信号并将其转换为电能信号，本实施例中选用了压电陶瓷传感器结构的拾音器，压电式拾音器比动圈式拾音器具有更高的灵敏度，有利于微弱信号检测，具体拾音器的工作原理可参考现有技术，在此不再赘述。滤波器用于放大拾音器输出的微弱信号，并以如100Hz带宽滤除信号中的部分杂波、噪声信号，具体可根据实际情况设置，在此不做赘述；然后通过模数转换器将滤波器处理过的模拟信号转换为数字信号，并传送至数字处理器；数字处理器按照下述第二通讯单元送达的工作模式指令，完成相应的功能处理，处理结果也通过第二通讯单元传送至显控单元300。该接收处理单元200能够实现对地下燃气管道的水平及深度定位功能。

在一个实施例中，所述显控单元300分别与所述发射单元100和接收处理单元200无线通讯连接，并向所述接收处理单元200发送所述功能指令，以及接收所述接收处理单元200发送的结果信息，并将接收到的结果信息在该显控单元300上进行显示。

在一个示例中，所述显控单元300包括：显示屏，该显示屏包括多个触控键；显示控制器，根据所述触控键被触发的指令，来控制不同功能模式下的结果信息在所述显示屏上进行显示；第三通讯单元，用于接收所述发射单元100发送的功率信息，和接收处理单元200发送的结果信息，以及用于向所述发射单元100发送第一指令，和向所述接收处理单元200发送功能指令信息。

具体的，如图1、4所示，该显控单元300通过第三通讯单元与发射单元100、接收处理单元200互联构成定位系统。由于发射单元100与接收处理单元200之间最远将大于1公里间距，为保证测量中的通讯互联可靠，系统通讯采用如ZigBee无线通讯模块，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议研制生产的通讯模块具有低功耗、低成本和高可靠通讯的优点。

显控单元300的显示屏形象地显示了测试点信号状况，如图5所示，图5的显示屏区域①为瞬时信号强度显示区，横条杠反应出当前系统接收信号强度，信号过强(大于80％)信号过弱(小于10％)都将影响检测精度。瞬时信号强度是调整系统动态范围的依据，具体可根据实际情况判断，在此不作限制。图5的显示屏区域②为探测定位结果显示区，直方图的颜色表示了测试点信号的质量，灰色表示信号质量良好可信度高，条纹表示信号质量较差可信度低，黑色表示测试失败。直方图的横坐标代表着不同测试点序号，直方图的纵坐标代表着声波信号强度数字量化结果，显控单元300可存储一次测量的十六个点位，但不限于此，供离线后对整个管线走向分析(在本示例中，显示屏的显示界面上只显示其中的十个点位，可以通过滑屏将其他未显示出的点位显示出来)。显示屏区域③为系统动态显示区，指示出当前测试点系统的发射单元100功率和接收处理单元200增益。在系统动态控制模式下，如图6所示，测试人员可根据系统接收信号强度，通过按压显示屏内“增益”或“声源”触控键“+”或“-”，使得显控单元300内的第三通讯单元向所述发射单元100发送第一指令，通过第一指令使得发射单元100内的控制器调整所述驱动器提升低频信号的倍数，以及使得显控单元300内的第三通讯单元向所述接收处理单元200发送功能指令消息，通过功能指令使得数字处理器完成对数字信号的预设功能处理，并调整处理后的数字信号的增益，从而能够远距离调整发射单元100信号的功率及接收处理单元200的增益，以保持系统处于最佳工作状态。需要说明的是，该显控单元300的显示屏可根据需要由测试人员切换至对应的工作模式，如管道水平定位模式、管道深度定位模式、系统动态调整模式，但不限于此。

下面，将上述发射单元100、接收处理单元200以及显控单元300进行结合来说明该定位系统在实际中的应用情况。示例的，管道水平定位的具体操作原理为，水平定位主要依据预设位置点的声波强度。声波的强度由传输距离和声源射线与拾音器夹角所决定，由于拾音器采用垂直安装结构，因此对垂直方向的声波信号具有较高的增益，当在地表面的接收处理单元200拾音探头处于管道上方时，声波强度最大，当偏离管道上方时声波强度变弱，一般来说只要在管道上方的一定区域内找到声波强度最大点即可确定管道的位置。该种通过不同测试点的强度比较来定位地下管道位置的方法，又称为“强度比较法”。水平定位工作原理示意图如图7所示。然而在燃气管道的定位中由于声源据接收距离较远，且传播路径经过压缩燃气、塑料管壁以及土壤沙石等不同介质，可以采集的信号极其微弱，使得传统的声波信号强度检测方法无法满足长距离探测要求。另外现场施工带来的强声波干扰信号往往掩盖了真实信号，使得探测定位精度下降，有时甚至出现定位错误。针对弱信号检测和强信号干扰这些技术难点，数字处理器采用了微弱声波信号检测技术和干扰信号频谱识别技术。

(1)微弱声波信号检测技术

接收处理单元200的系统灵敏度反应了系统检测微弱信号的能力，提升微弱信号的检测能力必须大幅度提高接收处理单元200的系统灵敏度。灵敏度计算公式如下：

接收机灵敏度＝-174+NF+10lgB+10lgSNR

NF:噪声系数B:滤波器带宽SNR:信噪比

由接收处理单元200灵敏度计算公式可知，当接收处理单元200噪声系数和信噪比不变时，滤波器带宽越窄，接收处理单元200灵敏度越高。为提高系统灵敏度增加探测距离，系统极大地提高了频谱分析分辨率这一指标，按照数字滤波器设计原理频率分辨度的提高，等效于滤波器组的带宽变窄，以带宽换来了系统的灵敏度。

由于声源发出的声波信号频率已知，所以信号检测的频谱强度分析采用了极高频谱分辨率的线性调频Z变换(CZT)算法。具体算法架构可根据现有技术进行理解，在此不再赘述。

上述检测技术的采用，以滤波器组带宽换取系统灵敏度的提升，较高的接收处理单元200灵敏度提高了远距离微弱声波信号的检测能力。使得系统实现了1.2公里左右的远距离探测。

(2)干扰信号频谱识别技术

强声波干扰信号是施工现场的一大特色，经对强干扰信号实验数据的频谱分析可见，干扰信号多为宽频谱信号。干扰信号与探测声波信号频谱宽度具有明显的差异。如图8所示，图(a)为单一声波信号频谱，图(b)为干扰信号频谱，图(c)为声波信号与干扰信号同时存在时频谱。

根据这些特征本实施例提出了检测干扰信号的频谱识别技术。在利用CZT算法完成一定宽度的频谱分析后，不但要关注确定的声波信号频率的能量大小，也要检测其它频谱信号状态，当发现声波信号中心频率之外出现多个强频率信号时，可判断为干扰存在。依据干扰信号谱宽和强度，提高检测门限，可有效的抑制干扰带来的误判。当干扰信号过强即向显控单元300报告信号质量无法满足测试要求，本次测试无效。

在水平定位工作模式下，为提高检测结果的可靠性，每个测试点做了多次声波强度测量，当十次测量结果有六次以上均截获到声波信号且强度又大于检测门限时，则可认为信号质量良好，测试结果可信。

上述识别技术的采用，利用施工现场存在的强干扰信号多为宽频谱信号这一特点，进行宽频谱检测。当声波中心频率外的一定范围内存在其它强频谱信号时，提高检测门限，能够有效抑制干扰，使得该定位系统的抗干扰能力更强。

示例的，管道水平定位的具体操作过程为，使用接收处理单元200探测定位是根据地表声波强度大小来确定管道坐标位置的过程。测量时沿管道走向以一定间隔设置测试点位，每一个测试点位沿管道走向横切线设置不少于10个测试点，每个测试点间隔为20cm左右，如图9所示，实际测量中由于管道走向是预估的，因此横切线的起始点和结束点以及测试点间距需要根据情况调整。也就是说定位管道坐标位置的过程是一个多次测量、反复修正、逐步逼近的过程。为使这一过程时间尽量减短必须制定科学的测量操作步骤。

操作步骤如下：

1)观察放管道大致走向，沿管道走向，在距上一个测试点位20m处设置测试点位。初始测试点位设置，应在散阀下观察管道大致走向，沿管道走向在距发射单元10米处设置第一测试点位。

2)位置粗测。

通过上述显控单元300控制接收处理单元200进入水平定位模式。在该点位沿管道走向的横切线上，预估管道位置。以预估位置为起点，在左右两侧的各1m的范围内沿横切线以大于30cm跨度进行多次声波强度测试。记录并显示测试结果。观察整个测试结果，若显示信号质量良好且直方图幅度值适中，说明系统动态范围合适可以进入位置精确测量步骤4)，如果出现多个测试点直方图的幅度值过大和过小或者瞬时信号强度超过80％或低于10％等状态都说明系统动态范围需要重新设置，进入系统动态调整模式3)。

3)系统动态调整。

通过显控单元300控制接收处理单元200进入系统动态调整模式。当声波信号过强时，将接收处理单元200放置于信号强度较大的地方，可根据信号强度，采取降低接收处理单元200增益或降低发射单元100功率等方法降低信号强度。当声波信号过低时，可采取提高接收处理单元200增益或提高发射单元100功率的方法提高信号强度。如果提高增益和功率的方法都无法使得声波信号强度增加到可检测的程度，就说明检测点位设置与管道实际位置有较大的偏差，必须将点位设置向上一个测试点位靠近。接收处理单元200动态范围调整后应返回操作步骤2)，重新开始位置粗测。

4)位置精测。

以位置粗测2)时得到的强度最大点为基点，在其两侧以小于10cm为间距，多次测量声波信号的强度，修正最大强度点位置。以最大强度点为基准点，沿横切线方向，在基准点左右两侧，以20cm为间隔规划10个测试点。完成各个测试点的测量。在地面填土土质充实，压力均匀的条件下，测试结果呈现出特征明显的钟形包络线，包络线的最高点为管道的具体位置坐标，并记录。若测试结果包络线位置不明显，应排除地面填土内存在的土质变化、压力变化带来的影响，必要时可就近选择新的点位重新进行。

5)新点位测试。

以测试成功的点位为基准，向管道方向外推20m左右规划新的测试点位，重复2)3)4)步骤。直至管线结束。

需要说明的是，上述管道水平定位步骤及参数均可根据实际情况进行调整，在此不作限制。

示例的，管道深度定位的具体操作原理为，本实施例中采用“相位差法”实现管道深度定位功能。“相位差法”定位管道深度，需要两个拾音器在指定的测试点同步测量同一个声源发出的声波信号相位，根据相位差求出时间差，进而得到声源深度，这种做法又称干涉法。其工作原理如图10、11所示。

相位差法需要对A、B二个采集点的拾音器输出信号同时采样，测深定位模式必须在水平定位模式之后进行，将拾音器A放置到经水平定位模式已确定的地下管道的顶端A处，将拾音器B放置于管线走向横切线的B处，如图11所示。

由图10可知管道距拾音器A的距离为R，管道距拾音器B的距离为R+R1；A、B间距为C。则有：

(R+R1)²＝R²+C² (1-1)

上式R1可由相位差法求出。

在A、B点同一时刻测量声波相位，得到相位θ_A、θ_B。求出相位差θ_Δ。

θ_Δ＝θ_B-θ_A (1-3)

已知声源信号频率f₀，信号周期

由相位差可求出同一声源到达A、B两点的时间差t_Δ

θ_Δ/360＝t_Δ/T (1-4)

t_Δ＝θ_Δ/360×T (1-5)

若声波在土壤中的传播速度为V，则R1为：

R1＝V×t_Δ (1-6)

然而在深测现场声波在土壤中的传播速度由于施工方的原因往往会存在着较大的差别，速度的不准确性，将影响到测深的误差。为提高深度测量精度可以采用三拾音器相位差法计算出声波在特定土壤中的传播速度。三拾音器相位差法速度测量工作原理见图七。

将拾音器A置于管道上方，拾音器B、C沿管道走向横切线方向安置。管道与A、B、C三个拾音器横截面图，如图12所示，为避免出现声波信号的相位模糊，A、C两点间距应小于等于声波波长λ，如

根据勾股定理有：

(R+R1)²＝R²+d² (1-7)

(R+R2)²＝R²+4d² (1-8)

示中，R1为管道至A点和B点的距离差，R2为管道至A点和C点的距离差。当声波传输速度V不变时，距离差可由时间差t_Δ与速度的乘积表示：

R1＝V·t_Δ1 (1-9)

R2＝V·t_Δ2 (1-10)

将(1-9)代入(1-7)，(1-10)代入(1-8)，有

(R+V·t_Δ1)²＝R²+d² (1-11)

(R+V·t_Δ2)²＝R²+4d² (1-12)

(1-11)两边同乘t_Δ2，得

(1-12)两边同乘t_Δ1，得

(1-13，(1-14)联立求解：

由(1-15)解出的V，代入(1-6)求出距离差R1，R1代入(1-2)既可求出管道深度R。

示例的，管道深度定位的具体操作过程为：

(1)深度测试点选择。

深度测量必须在水平定位测试之后进行。从水平定位测试结果中，选取钟形包络线特征明显的测试点进行管道深度测试。

(2)接收处理单元200位置。

在钟形包络最大点对应的位置安放拾音器(接收处理单元200)A，距拾音器A左(右)侧沿管道横切线0.5m处安放拾音器B。

(3)系统动态调整。

通过显控手簿控制接收机进入系统动态调整模式。观察两部接收机信号强度，分别调整各自接收机信号增益，在不饱和的情况下尽量调整声波信号强度。若接收机增益调整达不到满意效果，可进一步调整发射单元100功率。

(4)深度测量。

通过显控单元300控制接收处理单元200进入深度定位模式。在显控单元300同步信号的管理下，接收处理单元A、B截获发射单元100发出的声波信号，各自完成同一时刻信号相位的测量，测量结果通过第二通讯单元送达显控单元300，完成相位差运算。

需要说明的是，上述管道深度定位步骤及参数均可根据实际情况进行调整，在此不作限制。

另外，根据上述实施例可看出，在地下管道探测定位过程中，由于定位系统是依据信号强度比较法来确定管道位置的，因此声波信号的强度决定了测量数据的质量。当不同测试点信号幅度均超过最大值时，强度信息数据饱和，比较法失效。反之测试点信号强度过低，甚至微弱到无法检测到，也无法使用比较法的到正确的位置信息。信号强度既与发射单元100的输出功率和接收处理单元200的放大增益相关，也与测试点位置有关。当测试点位置距发射单元100较近时同样的发射单元100功率会造成接收机饱和，而在较远的距离则可能不足，这就是系统动态范围调整问题。为保证全程测试正常进行，系统设计了发射单元100功率调整电路和接收处理单元200增益调整电路(图中未示出)。在系统动态调整模式下，如图6所示，操作人员根据测试点信号强度大小通过显控单元300调整发射单元100功率和接收处理单元200功率。整个动态调整采用无线通讯单元，具备了远距离功率调整操作功能。

根据上述提供的地下管道的定位系统，整个系统操作简单、使用方便，能够在多管道混合埋设的环境下，快速查找定位指定的燃气管道；采用通讯技术将发射单元、接收处理单元及显控单元结合，使得定位操作更加方便快捷；而且通过在显控单元上显示定位结果，也使得地下管道的定位更加准确；同时，该定位系统具备管道深度定位的功能，为地下管道的定位进一步增加了精确性。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (6)

1.一种地下管道的定位系统，其特征在于，该系统包括：

发射单元，与管道连通，用于向管道内发射声波信号；

接收处理单元，设置于地面预设位置处，用于获取通过所述管道辐射至地面的所述声波信号，并将该声波信号按照接收到的功能指令进行处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息，并发送该结果信息；

其中，所述功能指令包括系统动态调整功能指令、管道水平定位功能指令和管道深度测量功能指令；

显控单元，分别与所述发射单元和接收处理单元无线通讯连接，并向所述接收处理单元发送所述功能指令，以及接收所述接收处理单元发送的结果信息，并将接收到的结果信息在该显控单元上进行显示。

2.根据权利要求1所述定位系统，其特征在于，所述发射单元包括：

信号发生器，用于产生预设频率的信号；

驱动器，用于将所述信号提升预设倍数，以生成驱动信号；

控制器，根据接收的第一指令来调整所述预设倍数的大小；

气体振动器，与所述管道的放散阀连通，且该气体振动器由外部交变磁场驱动，以使该气体振动器在所述管道内产生声波信号；

其中，所述交变磁场由外部交变磁场发生器通过所述驱动信号驱动产生。

3.根据权利要求2所述定位系统，其特征在于，所述发射单元还包括第一通讯单元，该第一通讯单元与所述显控单元进行无线交互，用于向所述显控单元发送该发射单元的功率信息，以及用于接收所述显控单元发送的所述第一指令。

4.根据权利要求1所述定位系统，其特征在于，所述接收处理单元包括：

拾音器，用于捕获所述管道辐射至地面的声波信号，并将该声波信号转换为电能信号；

滤波器，用于放大所述电能信号，并滤除所述电能信号中的部分杂波与噪声信号，使该电能信号形成为模拟信号；

模数转换器，用于将所述模拟信号转换为数字信号；

数字处理器，根据接收的功能指令完成对所述数字信号的处理，以生成对应所述功能指令下的结果信息。

5.根据权利要求4所述定位系统，其特征在于，所述接收处理单元还包括第二通讯单元，该第二通讯单元与所述显控单元进行无线交互，用于向所述显控单元发送所述结果信息，以及用于接收所述显控单元发送的所述功能指令。

6.根据权利要求3或5所述定位系统，其特征在于，所述显控单元包括：

显示屏，该显示屏包括多个触控键；

显示控制器，根据所述触控键被触发的指令，来控制不同功能模式下的结果信息在所述显示屏上进行显示；

第三通讯单元，用于接收所述发射单元发送的功率信息，和接收处理单元发送的结果信息，以及用于向所述发射单元发送第一指令，和向所述接收处理单元发送功能指令信息。

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