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隐蔽工程探测成像装置的研发

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：吴鹏

[导读]

        (华北电力大学河北保定 071000)
        随着电网工程建设的力度不断增加，验收过程中如何把关隐蔽工程的施工质量成为验收过程中的重大难题。本项目设计了一种隐蔽工程探测成像装置。该装置可通过发射和接收电磁波以探明地下是否存在隐蔽工程，并通过测量现场的实际情况对隐蔽工程进行成像。该装置优化了隐蔽工程验收的人力物力消耗，使得验收结果得到客观数据支撑，从而很大程度上提高工程验收的效率。
        隐蔽工程探测成像装置以研发一套基于电磁法原理的隐蔽工程探测装置，实现对隐蔽工程的深度探测并进行成像为主要目的。隐蔽工程探测装置主要由探测系统、激光测距系统、中央处理系统、移动端软件组成。通过发射和接收电磁波可以探明地下是否存在隐蔽工程。通过测量现场的实际情况，可以对隐蔽工程进行成像。
        一、工作原理
        基于瞬变电磁法的金属探测方法作为基本原理设计隐蔽工程探测成像装置。装置采用微控制器作为主控芯片，其融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点。

                             装置图
        功率发射模块包含了驱动电路、功率发射、过流保护和过流缓冲，其功能在于核心控制板通过驱动电路驱动功率发射电路进行电磁脉冲的发射，而过流保护和过流缓冲则为该模块提供保护，防止其被过大的电流烧毁。
        接收模块包含了前置放大电路、滤波电路、分段放大电路和A/D采集模块等。其功能在于在接收线圈接收到反射电磁脉冲后，前置放大电路和分段放大电路对该脉冲信号进行放大，滤波电路将无用的频段的干扰信号滤除，A/D采集模块将滤波放大后的模拟电信号进行数字化采集变成相应的数字量，这数字量传输给核心控制板用于对电磁脉冲信号进行判断处理。核心控制板通过串口通信模块与上位机相连，将经过初步加工处理的数据传输给上位机，上位机对多次采集的数据进行融合处理，得到用于对隐蔽工程进行成像的模型数据，从而建立出隐蔽工程的三维模型。
        二、软件构架
        为了更好地将隐蔽工程探测结果数据直观地展示给测试人员，基于安卓系统，开发了隐蔽工程探测程序“DetectorSoftware”。本程序有如下优点：基于安卓系统的智能手机使用率较高，使“DetectorSoftware”程序能更好地适配于现场工作人员；智能手机的广泛使用简化了“DetectorSoftware”程序的推广应用；开源性大大降低了软件的开发难度，安卓相关技术较为成熟，“DetectorSoftware”程序卡死黑屏现象得到有效地抑制；基于安卓系统的软件开发使用的Java编程语言，是一门面向对象的编程语言，不仅吸收了C++语言的各种优点，还摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念，因此Java语言使得“DetectorSoftware”程序具有功能强大和简单易用两个特征；由Java语言作为静态面向对象编程语言的代表，能极好地实现了面向对象理论，对于编写桌面应用程序、Web应用程序和嵌入式系统应用程序等有较好的优化作用，使得“DetectorSoftware”程序的人机互动界面友好，使用操作上手简单。
        三、设计流程
        程序架构设计方案如下：硬件方面：使用AndroidThings与Raspberry Pi作为硬件支持平台混合编程，通过A\D转换处理模块处理传输数据，以及通过外接小型显示屏的方式提供图形用户界面。利用手机蓝牙功能与隐蔽工程探测程序装置中的微控制器进行连接以实现测量数据实时传输，在接收到STM32微控制器传输过来的测量数据后，“DetectorSoftware”程序即可对相关数据进行三维建模。
        系统及应用程序：在上述硬件平台中安装windows或Android系统，在系统环境测试合格后，安装“DetectorSoftware”程序安装包，即可实现图像显示应用与相关功能。立体成像架构：3D建模结合D3.js前端技术渲染的方式，仿真拟合出立体图像，即可绘出所探测的隐蔽工程的模型图，并在下方显示相应的数据。并且“DetectorSoftware”程序可为测试人员根据模型图和数据对该隐蔽工程进行验收，体现出直观、操作简单的优点。
        四、模型成像设计
        对于成像方面，现有的地下物体成像设备案例中，重建出的图像只能够满足探测者观察小范围内有无目标物体以及判断目标物体相对位置，成像图中各色块边缘模糊，在价格较高的产品成像实例中也无法对探区内物体进行区分（底盘、卡盘等部件材质为非金属，不能探测区分）。根据现有的技术情况，解决方案是，对探测金属材质数据进行分析，各部件的埋深等数值信息，将关键数据与需方提供的标准部署图结合，拟合出示意图；在成像方面，若条件允许，除二维示意图外还可以考虑3D建模结合D3.js前端技术渲染的方式，作出立体图像，此方式呈现探测结果可能相对直观，如图2：

        图2：模型成像举例
        五、应用前景分析：
        目前在隐蔽工程的探测上已经有所应用的技术有探地雷达、金属探测器等，这些措施存在大量消耗人力物力，验收结果缺乏直观客观数据支撑，对验收人员的现场经验要求较高等问题。本项目设计一种隐蔽工程探测成像装置，不仅解决传统探测装置的以上不足之处，可以直观地探测并显示地下隐蔽工程的具体情况，从而大大节省对隐蔽工程验收的人力物力消耗，很大程度上提高工程验收的效果。