水库渗漏多普勒探测仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种水库渗漏多普勒探测仪，包括三向水听器阵列、收发电路模块、预处理电路模块和总控电路。三向水听器阵列作为探头部分，有三组水听器分别装在X、Y、Z方向上；收发电路模块用于控制超声波信号的发射和接收，预处理电路模块用于数据的时频分析；所有电路模块由总控电路编程控制。工作时由总控电路指令发射电路发射超声信号，接收电路接收经水体传播的信号，信号送到预处理电路模块，预处理后获得三个方向的水流速度；并由内置GPS定位；本发明利用超声波在流动水体中超声波频率和时间的变化，测量渗漏流场，确定渗漏位置，对于小流量的渗流也能精确定位，操作简单、探测速度快精度高，对水库的除险加固和渗漏处理提供技术支撑。
【专利说明】水库渗漏多普勒探测仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于多普勒效应的探测技术和仪器，具体地说是一种水库渗漏多普勒探测仪，主要应用于水库渗漏探测。
【背景技术】
[0002]由于国民生产、生活、河流治理、水能源等的需求，水库大坝不断在建设着。目前我国已经成为世界上的水利水电大国，建成的大坝有8.7万多座。尽管全国水库安全度汛的成绩良好，但目前全国仍有4万多座小型水库存在病险问题。很多水库已经不敢蓄水，让水资源白白的流走，在需要水时还要抽取地下水，形成了巨大的浪费。
[0003]我国大部分中小型水库都是上世纪50?70年代由群众施工建造而成，没有经过严格的勘察设计，施工质量水平低下，且基本上没有施工过程中的质量监督控制。导致大坝渗漏的原因众多，加大了病险水库改造工作的难度，迫切需求能够探测渗漏位置的方法技术研究。
[0004]水库的渗漏探测是随着问题的出现而带来的课题。一般情况下地球物理工作者利用一些物探的方法进行探测，比如常用的自然电位法、充电法、温度场法等，配合一些其他方法也能解决一些问题。但很多渗漏问题难以利用这些方法进行探测，因为大坝渗漏的原因很多，可能是绕坝渗漏、大坝的基础渗漏、大坝坝体渗漏等，再加上坝体结构和防渗的多样性，前述的一些方法可能束手无策；另外，即使渗漏位置找到了，进行了处理，那么处理的效果怎么样呢？因此需要从源头上寻找到渗漏位置，并且还能够连续监控该位置的渗漏处理是否到位。鉴于此，研究开发一种准确、快捷、方便、低成本的探测仪器十分急需，也显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对当前渗漏水库占病险水库比例高，渗漏位置探测难度大、成本高、精度差等问题，而提供一种基于多普勒效应原理，利用超声波在水体流动的影响下会发生时间和频率变化的特性，测量水库水体流速和三维渗漏流场，确定渗漏位置的多普勒探测仪器。
[0006]为实现上述目的，本发明采取的技术方案是:提供一种水库渗漏多普勒探测仪器，包括三向水听器阵列、收发电路模块、预处理电路模块和总控电路，所述的三向水听器阵列作为探头部分，由X、Y、Z向三组水听器组组成水听器阵列；采用互相垂直的六通塑胶管在X、Y、Z三维方向上各连接二段塑胶管，每一组有两个水听器分别安装在同向的二段塑胶管壁上，同向两个水听器的连线与所在塑胶管的轴线相交；收发电路模块用于控制超声波信号的发射和接收，设有收发控制电路、前置放大电路、滤波电路、A/D转换电路和频率调节电路、信号发生器电路、功率放大电路；预处理电路模块用于数据的时频分析，设有数据缓冲模块，时间和频率分析模块，输出模块和内置GPS模块；
[0007]所述的收发电路模块中收发控制电路的双向接口连接X、Y、Z三个方向的水听器组，收发电路模块中频率调节电路的输出端连接信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接收发控制电路；收发控制电路连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接预处理电路模块的数据缓冲模块的输入端；
[0008]所述的数据缓冲模块的输出端连接时间和频率分析模块的输入端,时间和频率分析模块的输出端连接输出模块的一个输入端，输出模块的另一个输入端连接内置GPS模块的输出端；输出模块的输出端对外连接外部接口，包括连接显示器和计算机；
[0009]所有电路模块由总控电路编程控制。
[0010]本发明所述的三向水听器阵列每一组两个水听器结构相同，其中一个用于发射，另一个用于接收，并且发射和接收通过总控电路编程指令控制互换工作。
[0011]本发明所述的总控电路通过编程控制收发电路模块，先控制频率调节电路设定发射频率，由信号发生器发射脉冲信号或正弦信号，经功率放大电路放大后输出到程序指定的发射水听器；发射水听器激发出的超声波经过水体的传播由程序指定的水听器接收，接收到的超声信号经过收发控制电路传输到前置放大电路，信号放大后传输到滤波电路，经过滤波将有效信号传输到A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并通过电缆传输到预处理电路模块的数据缓冲模块，当一个方向的超声波数据采样完毕，传输到时间和频率分析电路并计算出该方向的水流速度信息；根据总控电路的指令依次采集并计算分析完成三个方向的速度信息，通过输出模块的端口传输到外接设备iPad或计算机，同时内置GPS模块也将测定的位置数据信息通过输出端口传输到外接设备iPad或计算机，到此完成一个点的数据采集任务；所有采集传回的数据信息由计算机进行数据库管理和处理解释，并绘制成渗漏流场分布图，圈定出渗漏位置。
[0012]本发明所述的水听器激发出的超声波中心频率为1MHz，仪器的数据采样速率为lOMsps。本发明中使用的水听器属于高速采样，实时数据量较大；采集和处理的数据最终是输出到外接设备，外接接口标准是USB2.0。
[0013]在仪器总控电路指令下，发射电路激发脉冲或单频信号到某方向的发射水听器，该方向的接收水听器接收水中的超声波信号，经过接收电路的处理，传送到预处理电路，分析信号的时间和频率变化，获得该方向水流的速度和水流场特征。由收发控制电路依次循环控制获取三个方向的水流速度和水流场的特征，从而还原水体的真实流速和渗漏三维流场分布。在外部主机的配合下，采集的数据预处理后即时读进PC机。仪器内置软件具有时间-频率分析和渗漏流场图绘制等功能。
[0014]本发明的探测仪测量原理是:
[0015]水下多普勒渗漏探测技术，利用声波在传播过程中的多普勒效应:波在波源移向接收者时接收频率变高，而在波源远离接收者时接收频率变低。当接收者移动、波源不动时也能得到同样的结论。根据运动的相对性，当波源和接收者固定在相对静止的地方，而介质在波源和接收者之间移动，波在传播过程中的频率也发生相应的变化。水体流动时，三向水听器阵列中每一组的发射水听器发出的超声波，经过水体的传播由同组中接收水听器接收至IJ，当水流由发射水听器流向接收水听器时，接收到的频率是变小的，当水流由接收水听器流向发射水听器时，接收到的频率是变大的；通过测试发射水听器和接收水听器之间的声波频率变化量，就可以确定水流的速度和渗漏情况，考虑到水流方向不可能正好处在收、发水听器的连线上，因此采用三组相互垂向的水听器组成阵列，测试各个方向的水流场，并还原合成真实的水流场。
[0016]测定速度的研究国内外已经有很多，经过定量分析得到，当发射源和接收水听器都运动时有下式:
[0017]
【权利要求】
1.一种库渗漏多普勒探测仪，包括三向水听器阵列、收发电路模块、预处理电路模块和总控电路，其特征在于:所述的三向水听器阵列作为探头部分，由X、Y、Z向三组水听器组组成水听器阵列；采用互相垂直的六通塑胶管在X、Y、Z三维方向上各连接二段塑胶管，每一组有两个水听器分别安装在同向的二段塑胶管壁上，同向两个水听器的连线与所在塑胶管的轴线相交；收发电路模块用于控制超声波信号的发射和接收，设有收发控制电路、前置放大电路、滤波电路、A/D转换电路和频率调节电路、信号发生器电路、功率放大电路；预处理电路模块用于数据的时频分析，设有数据缓冲模块，时间和频率分析模块，输出模块和内置GPS模块； 所述的收发电路模块中收发控制电路的双向接口连接X、Y、Z三个方向的水听器组，收发电路模块中频率调节电路的输出端连接信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接收发控制电路；收发控制电路连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接预处理电路模块的数据缓冲模块的输入端； 所述的数据缓冲模块的输出端连接时间和频率分析模块的输入端，时间和频率分析模块的输出端连接输出模块的一个输入端，输出模块的另一个输入端连接内置GPS模块的输出端；输出模块的输出端对外连接外部接口，包括连接显示器和计算机； 所有电路模块由总控电路编程控制。
2.根据权利要求1所述的水库渗漏多普勒探测仪，其特征在于:所述的三向水听器阵列每一组两个水听器结构相同，其中一个用于发射，另一个用于接收，并且发射和接收通过总控电路编程指令控制互换工作。
3.根据权利要求1所述的水库渗漏多普勒探测仪，其特征在于:所述的总控电路通过编程控制收发电路模块，先控制频率调节电路设定发射频率，由信号发生器发射脉冲信号或正弦信号，经功率放大电路放大后输出到程序指定的发射水听器；发射水听器激发出的超声波经过水体的传播由程序指定的水听器接收，接收到的超声信号经过收发控制电路传输到前置放大电路，信号放大后传输到滤波电路，经过滤波将有效信号传输到A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并通过电缆传输到预处理电路模块的数据缓冲模块，当一个方向的超声波数据采样完毕，传输到时间和频率分析电路并计算出该方向的水流速度信息；根据总控电路的指令依次采集并计算分析完成三个方向的速度信息，通过输出模块的端口传输到外接设备iPad或计算机，同时内置GPS模块也将测定的位置数据信息通过输出端口传输到外接设备iPad或计算机，到此完成一个点的数据采集任务；所有采集传回的数据信息由计算机进行数据库管理和处理解释，并绘制成渗漏流场分布图，圈定出渗漏位置。
4.根据权利要求2的水库渗漏多普勒探测仪，其特征在于:所述的水听器激发出的超声波中心频率为IMHz，仪器的数据采样速率为lOMsps。
【文档编号】G01P5/24GK103575928SQ201310556306
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】李广超, 朱培民 申请人:中国地质大学（武汉）