张霆
（国网安徽省电力有限公司凤台县供电公司 安徽淮南 232100）
摘要：本文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。首先，对隐蔽工程探测技术原理进行分析，设计
基于电磁法的隐蔽工程探测装置；其次，建立合适的数学模型，通过多次探测隐蔽工程埋深，最终形成隐蔽工程的三维可视化模型，并开发相应的系统软件用于对隐蔽工程的实时探测；最后，将该装置应用于现场试验，针对
多种不同隐蔽工程进行探测。此外，装置所配备的系统软件采用安卓系统环境进行开发。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。同时，通过建立
模型的方法，将埋于地下的隐蔽工程转化为可视化模型，便于验收人员对它们进行直观的检测把关，通过成像能够检测出隐蔽工程中可能存在的重大缺陷。
关键词：隐蔽工程；成像探测；三维建模
引言
近年来，随着我国经济的快速发展，电网工程建设的力度不断增加，公司在工程管理上需要投入很大的精力。工程竣工验收是工程管理的重要环节，验收过程中需要对工程质量进行把控，其中如何把关隐蔽工程
的施工质量成为了验收过程中的一大难题。隐蔽工程是被后续的工序或分项工程所覆盖、包裹、遮挡的前一分项工程。
以往的验收中对隐蔽工程的验收主要依靠隐蔽工程施工时的现场监督、使用铁钎插入地下等措施对隐蔽工程的质量进行把控。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。如果能够开发出一种可以探测地下隐蔽工程并对其进行成像的装置，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。
金属探测器在军事方面早有应用，如进行地雷探测。目前，金属探测器已经普及到人们的日常生活中，如机场、车站等安检设备。随着科技的进步，金属探测系统在传感器设计和算法改进两方面取得了长足的发展。
“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，实现对隐蔽工程的探测并进行成像为主要目的。隐蔽工程探测装置主要由金属探测系统、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。
1.原理分析
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STM32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。以STM32微控制器为核心的系统的基本框架如图1所示。
图1：系统基本框图
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。
另外，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。
2 硬件系统设计
2.1 主控系统设计
采用STM32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。整个隐蔽工程成像硬件系统包括：电源双供电系统、可视化人机交互系统
、激光测距定位系统、蓝牙通讯系统、金属探测系统以及基于安卓系统编写的手机端APP（上位机）等。
2.2 金属探测系统设计
金属探测系统作为本文设计电路的主要测量装置，其精度和抗干扰性都是极其重要的。经过比较分析后，本文选择了AS964金属探测器，作为本设计中的金属探测装置。具有探测深度大、定位准确、分辨率强、操
作简单等优点。采用先进的地平衡线路设计，能够消除由地质结构复杂引起的“矿化反应”影响，只有在探测到金属时才会发出信号，从而大大提高探测深度和准确度。其主要技术参数如下：
2.3 激光测距模块设计
激光测距模块定位精度可以达到1毫米误差，而最大测距范围为50米，完全满足本系统对测距的要求。当金属探测器探测到地下金属时，控制STM32打开激光测距装置，对两个参考点进行激光测距，然后STM32记下
激光测距模块返回的距离信息，从而获得了当前地下金属所在位置的距离信息。然后，继续探测下一个地下金属所在位置，找到下一个地下金属所在位置后，重复上述操作，获得该地下金属以两个参考点为依据的距离信息，
多次重复，就探测当了整个隐蔽工程各个部分之间的位置关系，利用蓝牙将上述位置信息传送给上位机后，辅助三维立体图生成。
2.4 人机交互模块设计
为了在进行隐蔽工程探测的过程中，方便工作人员对测试过程以及当前进行步骤有准确把握，我们在装置上安装了一块2.8寸的TFT-LCD显示屏，由微控制器STM32对其进行驱动，显示不同模式下系统所处的状态参
数以及测量系统获得的测量参数，同时配置4个独立按键，实现对整个隐蔽工程的启动、模式选择等功能。
本系统将通过STM32的普通I/O口模拟8080总线来控制TFTLCD屏的显示。TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个像素上都设置有一个薄膜晶体管，可有效克
服非选通时的串扰，使液晶显示屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量，其分辨率为320*240，16位真彩显示。
3软件设计
3.1 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”。本程序有如下几个优点：
1）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；
2）智能手机的广泛使用简化了“DetectorSoftware”程序的推广应用；
3）其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；
4）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；
5）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。
3.2 模型成像设计
隐蔽工程探测装置我们的目标设定为“一定范围内的地下隐蔽工程，包括电杆地下部分，底盘，卡盘，拉盘，金属拉线”，同时希望在成像图中标绘出各关键构件的深度信息。针对此需求，根据相关文献的查阅
，结合实际状况进行如下模型成像设计。
3.3.1 数据采集与处理
在地下物体探测成像相关实例中，根据回波数据重建图像需要做大量复杂的算法处理工作，同时所重建的图像通常缺乏直观性；且考虑手持设备电磁波覆盖范围极度有限，隐蔽工程各部件尺寸量级均在m级单位上
，要即时呈现10平方米左右范围的图像难度非常大。所以经过相关调研，采样数据操作采用的方案为：手持探测装置按照标准隐蔽工程构件部署方位图和严格的采点方案对受测区域进行覆盖扫描取点，采点结束后，设备对返
回的数据进行A\D转换，进而进行处理成像，如图2：
图2：数据采集与处理图像
3.3.2 模型成像
对于成像方面，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3：
图3：模型成像举例
4 结论与展望
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。
基于电磁法的隐蔽工程探测成像装置，可以实现对隐蔽工程的探测，检测结果否满足准确性和精度要求。在对隐蔽工程进行深度探测的基础上，通过建立模型的方法，将埋于地下的隐蔽工程进行三维建模，将其转化为可视化
模型，便于验收人员对隐蔽工程进行直观的检测把关。将所研制隐蔽工程成像装置应用于现场试验，例如探测电杆埋深等，应用广泛，具有实际的应用价值。此外该装置设计独特，便于工作人员日常操作。该装置具有自动搜
索模式、准确定位模式、对探测目标的识别模式，灵敏度高，能有效排除矿化反应的干扰，具有较高的自动化和智能化水平。
论文作者:张霆
论文发表刊物:《河南电力》2018年7期
论文发表时间:2018/9/12
标签：工程论文; 装置论文; 系统论文; 地下论文; 金属论文; 直观论文; 模型论文; 《河南电力》2018年7期论文;