一种基于超声的窨井井壁状态采集系统和采集方法

本发明涉及一种窨井井壁状态采集系统和采集方法，尤其是一种基于超声的窨井井壁状态采集系统和采集方法。

背景技术：

1、城市排水窨井、检查井和地下管网节点井长期处于潮湿、封闭、光照不足和水质复杂的环境中。井内可能存在污水、淤泥、沉积物、漂浮物和附着物，导致传统基于图像的检测方式难以稳定工作。尤其在高水位或浑浊水体条件下，摄像头无法清晰观察井壁状态，激光或结构光等光学检测方式也会受到散射、遮挡和水体吸收影响。相比视觉和光学方法，超声波能够在水体中传播，并可利用井壁界面反射获得距离信息，因此适合用于窨井内壁检测。现有超声检测方式通常包括单点测距、单通道旋转扫描和机械分层扫描等方案。其中，单点测距只能获得某一方向距离，无法形成完整井壁轮廓；单通道旋转扫描虽然可以逐步获取360°数据，但需要依次采集多个角度，检测效率较低；持续采样方式虽然可以避免错过回波，但会产生大量无效采样数据。

2、在窨井现场检测中，检测效率和数据同步性尤为重要。一方面，现场作业时间有限，检测装置需要尽快完成井壁一周范围的数据采集；另一方面，井内水流扰动、探头姿态变化和平台晃动可能导致不同角度数据之间出现偏差。因此，需要一种能够快速完成井壁360°回波采集，并能减少无效数据和提高回波捕获准确性的技术方案。

技术实现思路

1、发明目的在于：提供一种基于超声的窨井井壁状态采集系统和采集方法，能够实现窨井井壁状态数据的高效采集。

2、技术方案：本发明所述的基于超声的窨井井壁状态采集系统，包括超声波收发模块、信号采集模块、升降驱动平台以及控制处理模块；升降驱动平台用于安装在窨井的井口上方，超声波收发模块安装在升降驱动平台的升降端上，由升降驱动平台调节超声波收发模块在窨井内的高度位置；控制处理模块与升降驱动平台电连接，用于对升降驱动平台进行升降驱动控制；控制处理模块与超声波收发模块电连接，用于对超声波收发模块的超声波发射进行启停控制；信号采集模块与超声波收发模块电连接，用于对超声波收发模块获取的反射超声波进行采集；控制处理模块与信号采集模块电连接，用于对信号采集模块的反射超声波采集进行启停控制。

3、进一步的，升降驱动平台包括支撑框架、移动支撑台、升降驱动单元以及提拉单元；移动支撑台位置可调式安装在支撑框架上，由支撑框架支撑安装在窨井的井口上方；升降驱动单元安装在移动支撑台上，由移动支撑台对升降驱动单元进行竖向支撑；提拉单元安装在升降驱动单元上，由升降驱动单元对提拉单元进行升降驱动；超声波收发模块安装在提拉单元的下端上，由提拉单元提拉超声波收发模块在窨井内升降运动；控制处理模块与升降驱动单元电连接，用于对升降驱动单元进行驱动控制。

4、进一步的，提拉单元包括提拉连接座、提拉杆、导向支撑杆以及环形安装架；提拉连接座安装在升降驱动单元的升降驱动端上，提拉杆的上端竖向连接固定在提拉连接座上，提拉杆的下端竖向活动式贯穿移动支撑台后固定在环形安装架上；导向支撑杆的下端竖向固定在环形安装架上，上端活动式贯穿移动支撑台；超声波收发模块安装在环形安装架上。

5、进一步的，超声波收发模块包括防水外壳、旋转驱动单元、超声发射单元以及八通道超声接收阵列；防水外壳安装在提拉单元的下端上；超声发射单元水平固定在防水外壳的内底部上，旋转驱动单元固定在防水外壳的内顶部上，八通道超声接收阵列安装在旋转驱动单元上，由旋转驱动单元对八通道超声接收阵列进行水平旋转驱动；控制处理模块与超声发射单元电连接，用于对超声发射单元的超声波发射进行启停控制；控制处理模块与旋转驱动单元电连接，用于对旋转驱动单元进行驱动控制；信号采集模块与八通道超声接收阵列电连接，用于对八通道超声接收阵列获取的反射超声波进行采集。

6、进一步的，超声发射单元为环形压电陶瓷超声发射器；八通道超声接收阵列包括中心座、八根分支杆以及八个超声接收换能器；中心座安装在旋转驱动单元的驱动端上，八根分支杆均水平固定在中心座上，八个超声接收换能器分别固定在八根分支杆的悬挑端上；八个超声接收换能器位于同一圆周的八等分点处，且环形压电陶瓷超声发射器位于八个超声接收换能器所在圆周的正下方；八个超声接收换能器均与信号采集模块电连接。

7、进一步的，防水外壳包括上侧防水壳、分隔板以及下侧防水壳；分隔板的上下侧面中部均设置有防水围挡；上侧防水壳的下部对接安装在上侧的防水围挡上，下侧防水壳的上部对接安装在下侧的防水围挡上；旋转驱动单元安装在上侧防水壳内，超声发射单元以及八通道超声接收阵列均安装在下侧防水壳内。

8、进一步的，信号采集模块包括模拟前端调理电路、adc同步采样电路以及信号处理电路；模拟前端调理电路与八通道超声接收阵列电连接，由模拟前端调理电路对八通道超声接收阵列的八个超声接收换能器获取的模拟信号进行调理；adc同步采样电路与模拟前端调理电路电连接，由adc同步采样电路对模拟前端调理电路调理后的模拟信号进行采集；信号处理电路与adc同步采样电路电连接，由信号处理电路对adc同步采样电路采集的信号进行处理；信号处理电路与控制处理模块电连接，由控制处理模块对信号处理电路处理后的信号进行数据传输。

9、本发明还提供了一种基于超声的窨井井壁状态采集系统的采集方法，包括如下步骤：

10、步骤1，将升降驱动平台安装在窨井的井口上方，并由采集人员对提拉单元的竖向位置进行调节，使得八通道超声接收阵列、环形压电陶瓷超声发射器以及窨井均位于同一中心轴线上；

11、步骤2，通过控制处理模块对升降驱动单元进行驱动控制，使得超声波收发模块的八通道超声接收阵列以及环形压电陶瓷超声发射器移动至起始高度位置处；

12、步骤3，由控制处理模块对环形压电陶瓷超声发射器进行驱动控制，向窨井的井壁发射超声波信号，由八通道超声接收阵列获取超声波反射信号，再由模拟前端调理电路、adc同步采样电路以及信号处理电路对八通道超声接收阵列获取的超声波反射信号依次进行模拟信号调理、adc同步采样以及数字信号处理，获得八个超声接收换能器到对应位置处的井壁距离数据，进而形成当前高度位置处窨井的井壁360°轮廓数据；

13、步骤4，由控制处理模块根据升降驱动平台的升降高度判断超声波收发模块是否到达窨井预设的深度位置处，若未到达窨井底部高度位置处，则进入步骤5，否则进入步骤6；

14、步骤5，由控制处理模块按照设定的高度间隔对升降驱动单元进行驱动控制，将八通道超声接收阵列以及环形压电陶瓷超声发射器向窨井底部移动一个高度间隔，再返回步骤3；

15、步骤6，由控制处理模块汇总各个高度位置处的窨井的井壁360°轮廓数据，构成窨井的完整井壁数据采集，再由控制处理模块将完整井壁数据发送至上位机，从而实现窨井的井壁状态采集。

16、进一步的，步骤3中，在adc同步采样电路进行adc同步采样时，由控制处理模块根据先验时间窗控制adc同步采样电路的采样启停时间，包括如下步骤：

17、首先，根据预设的水中候选时间窗以及空气候选时间窗对adc同步采样电路进行adc同步采样启停控制，获取水中候选时间窗以及空气候选时间窗对应的反射超声波采集数据；

18、然后，对水中候选时间窗以及空气候选时间窗对应的反射超声波采集数据进行分析判断，若在水中候选时间窗获取的反射超声波采集数据中检测到有效回波信号，则计算出水中传播时间差为：

19、

20、式中，为实际井壁回波的到达时长，为按照超声波在水中传播时的井壁回波预计到达时长，的计算公式为：

21、

22、式中，d为超声接收换能器到井壁的测量距离，为超声波在水中的传播速度，为系统补偿延迟时长；

23、若在空气候选时间窗获取的反射超声波采集数据中检测到有效回波信号，则计算出空气传播时间差为：

24、

25、式中，为按照超声波在空气中传播时的井壁回波预计到达时长，的计算公式为：

26、

27、式中，为超声波在空气中的传播速度；

28、然后，对计算出的水中传播时间差或空气传播时间差进行判断，若δtwater小于预设的水中匹配阈值tth,water，则判定实际回波与水中传播模型相匹配，确定超声接收换能器当前处于水中；若δtair小于预设的空气匹配阈值tth,air，则判定实际回波与空气传播模型相匹配，确定超声接收换能器当前处于空气中；

29、最后，根据匹配的传播模型确定出采样启停时间，若相匹配的为水中传播模型，则根据水中传播模型对应的水中候选时间窗确定出采样启停时间，若相匹配的为空气传播模型，则根据空气传播模型对应的空气候选时间窗确定出采样启停时间。

30、进一步的，步骤3中，在形成当前高度位置处窨井的井壁360°轮廓数据时，共获得了当前高度位置处的至少两组井壁距离数据，在每获得一组井壁距离数据后，由控制处理模块对旋转驱动单元进行驱动控制，使得八通道超声接收阵列的八个超声接收换能器水平旋转至下一个预设转角获得下一组井壁距离数据。

31、本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用升降驱动平台能够将超声波收发模块送入窨井内，并进行高度位置调节，从而实现井壁的完整、快速、自动化扫描；利用信号采集模块能够根据控制处理模块的驱动控制实现反射超声波的可控采集，控制数据的有效采集量，提高数据采集效率。