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由郑，任旭虎，刘松卓，王瀚林，赵雪阳
（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580）
随着城市的发展，地下金属管线的铺设规模逐渐扩大，长期埋在地下的金属管线由于内腐蚀和外腐蚀导致防腐层损坏而引发管线泄露，造成经济损失和环境污染[1]。因此，在管线破损时，如何选用一种快速有效的方法确定管线的位置以及可能存在的多处泄露点成为了亟待解决的问题。
多频管中电流法（PCM）因设备性能优良、操作简单，已成为地下金属管线探测中最常用的方法之一[2-3]。目前市面上常见的PCM 检测系统大多依赖进口，英国雷迪公司的RD4000 和RD8000 一直活跃在国内各检测现场，其价格昂贵且技术支持困难[4]。国内对地下管线探测的相关研究都处于初始阶段，主要有秦傲公司的GXY-2000/3000 型地下管线探测系统；
南通万能检测仪有限责任公司的SL480；
陈旭提出一种可伸缩的三点式“T”形检测模式，设计出一种新型地下管线探测系统；
李若曦对管线探测系统进行对比分析，得出电磁管线探测系统在埋深1.5 m 范围内埋深精度可达±0.15 m 的结论[5-7]。相对于国外，国内检测系统整体性能不高、精度低，功能实现效果差。
针对上述问题，该文基于多频管中电流法（PCM），研制了一款工作频率可选、接收线圈具有多种组合方式的新型地下金属管线信号接收系统，以期解决此类系统的性价矛盾，缓解国外探测系统大量占领国内市场的不良现状。
PCM 管线检测系统由超大功率发射机和信号接收机两部分组成，如图1 所示。发射机将多频（4 Hz、128 Hz、512 Hz）的交流信号施加在被测管线上，接收机接收管线辐射出的信号并对接收的信号进行放大，通过信号处理算法对信号噪声进行滤波。流经管道的交流电根据电磁感应原理产生交变的电磁场，信号接收电路通过测得感应电动势来确定磁场分布，并根据磁场的分布特征，通过定位算法测得管道的走向和深度。
图1 多频管中电流法示意图
1.1 无限长直导线在空间的磁场分布
当在地下金属管线上施加交变的电流信号后，理想情况下，管线可以简化为一根施加正弦电流的无限长的直导线，管线的轴心会产生交变磁场。
管线直径可忽略不计，根据毕奥-萨伐尔定律可知：
式中：μ为土壤的磁导率；
I为管线轴心点处的电流大小；
dI为管线轴心点处的单位管线单位长度；
r为管线轴心点到测试点的直线距离；
dB为测试点处的磁场强度。
经计算，测试点处的磁场强度与管线轴心点处的电流大小成正比，与两点之间的直线距离成反比。
1.2 管线定位原理
PCM 定位管线的常用方法有两种，即峰值法和谷值法[8-9]。峰值法和谷值法示意图如图2 所示。峰值法根据线圈相对管线角度和距离的不同可以感应到不同大小的磁场强度，进而得到管线相对于接收系统的位置。线圈平行于地面且与管线垂直，线圈的感应电动势大小反映出磁场强度水平分量的大小。线圈由位置1 移动到位置2 的过程中，在位置2时线圈与管线的距离最短，穿过线圈的磁力线最多，此时磁场强度达到顶峰，谷值法则与峰值法相反，线圈垂直于地面与管线，线圈由位置1 移动到位置2 的过程中，在位置2 时线圈与管线的距离最短，穿过线圈的磁力线最少，此时磁场强度达到谷值。
图2 峰值法和谷值法示意图
1.3 管线测深原理
二次差分测深法示意图如图3 所示，线圈1 和线圈2 在水平方向上分布，二次差分测深法使用两个水平方向的线圈进行深度的测量。
图3 二次差分测深法示意图
二次差分测深法计算公式如下：
式中，VH为线圈1 的感应电动势；
VL为线圈2 的感应电动势；
H为线圈2 与管线轴心之间的距离；
Δh为线圈1 与线圈2 之间的距离。
1.4 管线探伤原理
找到管线的位置之后，向管线施加4 Hz 交流信号时，管线中电流的强度随离发射机的距离增加而衰减，其衰减程度取决于管线及其防腐层的情况。若管线不存在破损点，则信号在往远处传播的过程中会呈现稳定的衰减状态；
若管线存在破损点，则电流大部分从破损点流进土壤，在该点正上方所测到的管线电流信号会出现骤减[10-11]。
2.1 需求分析
地下金属管线周围存在电力线等其他管线，会对信号接收带来大量噪声。系统需要在强噪声环境下采集管线辐射出的微弱的多频信号，因此，系统需要设计灵敏的信号接收装置，用于采集微弱信号，并需要对采集到的信号进行放大、调理，再经过A/D 转换将信号送入主控单片机。同时系统需要设计友好的人机交互界面，方便使用者操作。
在定位管线过程中，峰值法仅依靠一个极大值点即可定位管线走向，但定位结果不准确，存在较大误差。谷值法依靠两个极大值点之间的极小值点来定位管线走向，定位结果准确、误差小，但寻找三个特征点操作繁琐，依赖使用者的操作经验。因此，系统选定峰值法和谷值法联合的定位方案，先采用峰值法确定管线大致走向，再采用谷值法精确定位管线走向。二次差分测深法作为定位深度方案，其接收传感器如图4 所示。
图4 接收传感器
2.2 PCM信号接收系统硬件设计
硬件电路部分主要包括信号接收模块、预放大模块、信号调理模块、程控放大模块、主控模块（STM32 单片机）、A/D 采集模块、人机交互模块、电源模块。系统总体硬件电路设计如图5 所示。
图5 系统总体硬件系统方案
2.2.1 预放大模块
接收到的信号一般都是微伏级别的信号[10-11]，且其中还存在大量的干扰信号，故需对信号作200 倍预放大，预放大电路如图6 所示。
图6 预放大电路
AD8227 仪表运算放大器，其具有5～1 000 的放大增益，通过R1可变换增益，其增益公式如下：
式中，G为放大增益；
RG为控制放大增益的外接电阻。外接电阻为412 Ω，其增益为200。
2.2.2 信号调理模块
NJM5532 是高性能、低噪声的双路运算放大器，具有良好的噪声性能、较宽的功率带宽，且价格优惠、使用范围广，因此，系统使用NJM5532 搭建信号调理电路。空间中存在一定量高频分量信号的干扰，且地下管线周围存在高压输电线，接收的磁场信号会有大量的50 Hz 工频干扰，因此，设计了1 kHz 的低通滤波器设计、陷波器电路。系统接收到的信号为用于探伤的4 Hz 甚低频信号和用于定位的128 Hz、512 Hz 等信号。因此，设计低通滤波和高通滤波电路分别对两种信号进行滤波处理。
2.2.3 程控放大模块
线圈接收到的信号在经过信号调理后幅值太小，若将信号直接进行A/D 采样，会产生较大的误差，因此，需要对信号进行二次放大。且由于线圈接收到信号的强度会随着线圈与管线之间距离的增加而迅速衰减。如果设置固定的放大倍数，则容易导致进入A/D 采样模块的信号幅值太小。所以二次放大应采用可编程放大器。
PGA281 是一款可实现程控增益的高精度仪表放大器，该芯片拥有较高的输入阻抗，可以单端输入，差分输出。如图7 所示，可通过控制G0-G3 对信号进行0.125～176 倍的增益调整。
图7 程控放大电路
2.2.4 A/D采集模块
系统共用三个线圈，经过程控放大后的信号是差分信号，共6 路信号，需同步采集，单片机内部ADC 精度低且幅值最高仅为3.3 V，不满足该系统需求。因此，系统采用的是18 位电荷再分配逐次逼近型的模拟数字转换器AD7608，可支持8 路同步采样差分输入[12]。其电路如图8 所示，将采集的数据传入上位机，经过分析计算得到管线的位置信息。
图8 A/D采集模块电路
2.2.5 主控模块
综合该系统的设计需求，采用ST 公司设计的STM32F103 系列单片机作为整个系统的控制核心，以Cortex-M3 内核作为硬件架构，其功耗低，并且具有性价比高、运行速度快、寻址方式灵活、执行效率高等优点。内部集成64 K 字节的闪存程序存储器，高达20 K 字节的SRAM，且其支持直接存储器访问，不需要依赖CPU 的大量中断负载，且其有丰富的I/O接口，满足该系统的设计需求[13]。
2.3 PCM信号接收系统软件设计
2.3.1 主程序设计
系统最终需实现在强噪声环境下采集管线辐射出的微弱多频信号，并对管线进行定位、测深和探伤。系统软件由主程序和七大模块化子程序构成，其子程序包括初始化程序、A/D 转换程序、程控放大程序、卡尔曼最优估计程序、管线定位测深程序、管线探伤程序。软件总体流程图如图9 所示。
图9 系统软件总体流程图
先对各模块进行初始化，再对信号进行A/D 转换。通过卡尔曼滤波算法对采集信号进行最优估计，得到估计后的信号求其均方根，最后得到信号的幅值。若信号幅值过小或过大，则控制PGA281 将信号调理为正常幅值，用于后续管线定位算法；
检测到管线位置后，系统处于管线正上方时，再进行探伤算法。
2.3.2 卡尔曼最优估计
卡尔曼滤波是使用线性系统的状态方程，通过系统的输入和输出观察数据，以最佳地估计系统的状态。因观测的数据包括噪声和干扰，故最佳估计也可以视为滤波过程[14]。该算法易实现，适用范围广，并且可以实时处理采集到的数据，该算法已在数字信号处理等多种领域得到广泛应用。
卡尔曼最优估计在计算过程中，通过建立信号量和状态量的相互转换关系，坚持实际值与估计值之间均方误差最小的准则，使得处理对象的估计值逐渐逼近实际值，进而提高预测准确度。卡尔曼滤波算法递推步骤如下[15-17]：
1）状态预测：
2）误差矩阵预测：
3）卡尔曼增益计算：
4）状态校正：
5）误差矩阵更新：
式中，xk为k时刻的估计状态；
A为状态转移矩阵；
Pk为k时刻的误差协方差矩阵；
Q为预测噪声协方差矩阵；
Kk为k时刻卡尔曼增益；
H为观测矩阵；
R为测量噪声协方差矩阵；
zk为k时刻观测值；
I为单位矩阵。
2.3.3 管线定位测深程序
将三个呈“工”字型摆放的线圈作为接收传感器的定位方案[18]，图4 中线圈1 和线圈2 用于测量管线深度，线圈3 用于定位管线走向。定位测深程序流程如图10 所示，先对采集到的信号求平均，判断线圈2 和线圈3 感应电动势的大小和方向，设置一个阈值，将线圈感应电动势与阈值进行比较，从而判断管线相对系统位置。
图10 管线定位和测深流程
通过计算图4 中的线圈1 和线圈2 的感应电动势，根据式（2）可计算出管线的深度。
2.3.4 PCM信号接收系统人机交互界面
该系统人机交互主要通过组态串口屏和按键实现。系统开机后，进入系统初始化界面。通过“管线定位”按键进入埋地管线定位界面，界面中显示当前管线与该系统的相对位置。在确保该系统位于管线正上方时，可由界面上的深度显示得知埋地管线的深度。通过“腐蚀点检测”按键进入管线腐蚀检测界面，界面中显示接收信号的波形，信号幅值骤减，系统开始警告出现腐蚀点。在进行管线腐蚀检测前，需要先确定管线位置，沿管线走向方向进行测试。通过“数据存储”按键可查看存储的测试数据。系统人机交互界面如图11 所示。
图11 系统人机交互界面
对搭建的模拟管线施加4 Hz 和128 Hz 的混合信号，系统接收模拟管线产生的交变磁场，利用Matlab 对接收到的数据进行分析，验证卡尔曼滤波算法的可靠性。通过组态串口屏验证系统的定位和探伤功能。
3.1 卡尔曼滤波验证
将采集到的信号通过串口发回计算机，利用Matlab 对接收到的数据进行分析。以系统位于模拟管线正上方0.6 m 处为例，将采集到的128 Hz 原始信号和卡尔曼滤波优化信号对比进行，结果如图12所示。
图12 卡尔曼滤波对比结果
经过卡尔曼滤波后的信号滤除了杂波，信号的稳定性和准确性都得以提高，可用于后续定位算法和探伤算法。
3.2 功能测试
上位机选用中科世为串口屏，其串口屏功能强大、运算能力强，可有效缓解单片机的运算负担。通过Flythings 软件进行上位机界面开发，系统信号接收正常，管线定位检测和腐蚀点检测功能正常。
系统的深度测试结果如表1 所示，其深度测试误差率在5%以内，系统可以有效地检测出模拟管线的位置。
表1 测试结果
在管线腐蚀点检测时，实验室环境下，对模拟管线进行幅值衰减。腐蚀点检测结果如图13 所示，约1.7 s 时信号幅值衰减超过某一阈值，信号接收系统进行腐蚀点预警，可以有效地判断出管线可能存在的腐蚀点。
图13 腐蚀点检测结果
该文设计了基于PCM 地下金属管线信号接收系统，完成了系统的硬件设计、软件设计、上位机开发。经过综合测试，验证了该系统软硬件设计的合理性和功能性，且系统成本低、操作简单。由于时间和实验条件的限制，该系统的探测范围较窄，当系统距离管线超过一定范围时，检测的结果误差率较大，系统还需进一步优化和完善。
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