摘 要 本文以英国产麦克系列相关仪为例，介绍了相关仪主要参数的选取，使用中常遇到的问题，以及相关函数图象的特征，最后介绍“自动相关”的原理及使用方法。
关键词 相关仪 速度 滤波器 传感器 互相关函数
自动相关相关仪在漏水调查中，不仅对管道是否漏水判断迅速准确，还具有漏点定位精度高等优点，更重要的是在某些场所，它是漏水检测中必备的设备。如管道埋深较大，电子听漏仪捕捉不到漏水声波信号；管道上方有堆积物无法路面听音；管道穿越河流，漏点恰好位于河流段等等。所以用好相关仪就显得较为重要。
1、相关仪的工作原理
在预计漏点两侧各找到一个管线裸露点，并在上面各放一个传感器，接收由漏点处传播过来的漏水声波信号，并将其转换成电信号，通过无线或有线传播到相关仪主机内，对其进行模数转换，数字滤波处理后，进行互相关运算，求出漏水声波到达两传感器间的时差，再根据输入的两传感器间的距离及管道速度，按公式L＝D－VTD/2 (L为漏点到近传感器的距离，D为两传感器间的距离，V为漏水声波在管道中的传播速度，TD为时差)即可计算出漏点位置。
2、主要参数的选取
2．1 速度参数
根据漏点计算公式：L＝D－VTD/2可知，漏点位置与两传感器间的距离D、速度V及时差TD有关。在知道管线走向的情况下，一般距离D误差不大，且距离差△D米，影响漏点位置的误差为△D/2
米，所以由于D引起的误差可以控制在最小的范围内；ID为由相关仪计算出的时差，在滤波器设计合理的情况下，ID误差可达到最小。理论和实践证明，速度是影响定位精度的主要因素。通常根据材质及管径调用主机内存中的速度参数，往往与实际不符，原因是主机内存中的速度，依据国外管材测量得到的。我国许多城市铺设的管道历史悠久，且水硬度高，管道内壁沉积了许多水垢，降低了管道的弹性模量，因而速度降低。绝大部分管道的速度比相关仪内存中的速度偏低，但也有个别管道速度比内存中的速度偏高，如在保定供水管网中有一种白铸铁管比较坚硬，速度比普通铸铁管偏高。获得准确速度的方法之一，是使用白噪声发生器或用消火栓放水对模拟管道漏水产生的噪声信号，通过“速度测量”菜单即可测量出速度。在没有上述设备的情况下，当漏点一侧(左侧)有一裸露点，另一侧(右侧)有三个以上裸露点，且右侧裸露点与左侧裸露点间的距离依次至少相差20％时，可用麦克6相关仪中“计算存储”功能进行三次以上相关，可自动求出准确的速度，以及较准确的漏点位置。不过在实际应用中象管径较大，对漏水声波信号扩散衰减较大的管道或对声波信号吸收衰减较大的管道(如塑料管)，往往漏点一侧的第三个传感器接收不到漏水声波信号，致使该种方法很难奏效。我们经过研究，找出了一种对条件要求不太苛刻，简单实用的方法，仅在漏点两侧找到三个裸露点，只进行两次相关测量，再经过简单计算就可得到准确的速度值，具体方法见《地下管线管理》2001年第6期。在定位精度要求不太高的条件下，根据经验，可对内中的速度适当修正后，再输入相关仪进行相关。
2．2 滤波器参数
虽然相关仪在进行相关运算时，对环境的随机干扰信号具有一定的压制作用，由于放大器一般采用浮点放大方式，放大器增益随着信号强弱变化，信号强增益小，信号弱增益大。当环境噪音较大，漏水声波信号能量很低，放大器增益小，很难拾取漏水声波信号，往往不能确定出漏点的位置。此时必须设置合理的滤波器，滤掉各种干扰信号。相关仪根据给定的材质、管径和距离参数，可自动给出滤波参数。当老化或腐蚀严重时，自动给定的滤波器不一定合理。原因是铺设年代久远的管道腐蚀或老化严重时，弹性模量降低，造成漏水声波信号中的高频成份衰减大，使信号频带向低频方向移动。所以在这些管段输入的滤波器频带应比自动给出的滤波器的通频带低。条件允许时，可利用相关仪中设置的频谱分析功能，对两个传感器接收到的信号进行富氏变换，根据振幅谱确定漏水声波信号的主频，而后设计滤波器。
3、管道漏水相关函数图象有何特征
根据互相关函数计算公式：
可知，对两个信号进行相关运算，其几何意义为：先对两个连续信号抽样成离散信号，可以认为一个信号不动，另一个信号沿时间轴移动，每移动一个采样间隔，在一定时窗内对具有相同时刻的离散值进行乘积运算，并将所有乘积求和，作为相关函数一个值。当两个信号来自于同一声源(如同一漏点)，它们的主频相同或接近，具有相同的频率成分，波形具有相似性。当移动到TD
(漏点到两传感器间的时差)两个信号基本上同相，即相同时刻的函数值同号，对应时刻离散函数值乘积为正号，因而求和后数值最大。当移动时差比TD增大或减少时，用一时刻两个函数值出现异号，求和时存在正负抵消问题，相关函数值变小。所以当管道漏水时，相关函数图象的特征是，在平静的背景中有“孤立”的尖脉冲(峰值)存在。当两个信号不是来自于同一声源而是各种随机干扰，它们一般主频不同，波形没有相似性，对应时刻乘积结果具有不同的符号，求和时存在正负抵消问题，相关函数图象上绝大部分函数值差别不是很大，不会出现明显“孤立”的峰值。由于函数图象的显示比例随着函数值动态范围的不同而异，虽然在管道上无漏水点时，相关函数值不大，但由于它们之间的变化范围不大，显示比例较大，函数图象上看起来数值较大。
4、常遇到的两个问题
4．1 漏点位于两个传感器之外或接近一个传感器
相关仪对两个传感器接收到的信号进行互相关运算，求出漏水声波到两个传感器间的时差TD然后和操作员输入的两传感器间的距离及速度计算出的声波在这段传播的时间T0进行比较，由于考虑用户输入的速度可能有误差，当TD＝T0或TD接近于T0时，漏点都有可能位于传感器之外，于是在相关函数图象下面出现"WARNING
NONBRACKET LIKEING"警告提示，漏点可能在两传感器之外，此时应将警告提示靠近漏点的传感器移至远离漏点的裸露点上，再次相关，警告信息消失，可确定出漏点的位置。若远离漏点方向找不到裸露点，或裸露点离漏点较远接收不到漏水声波信号，最好先对该段进行速度测量，而后输入准确的速度进行相关，再看警告提示中是否出现漏点离一个传感器的距离为零，若不为零仪器给出的位置即为漏点的实际位置；若为零，说明漏点确实在两传感器之外，只好在远离漏点方向上打钢钎接触管道(最好让预计漏点位置居中使TD趋近于0)让传感器吸附到钢钎上，再次进行相关测量确定出漏点位置。
4．2 中心相关问题
当相关函数图象下面出现"WARNINGCEN
TERCORRE
LATION"警告中心相关时，要仔细分析函数图象看“孤立”峰值两侧是否呈对称分布，若是说明一个发射机发出的信号太强，以致于进入红蓝两个频道接收器内，相关为自相关，给出的漏点位置居中属于假象，应将主机移至近似两个发射机中间位置，并调整发射机发射功率到合适水平；若“孤立”峰值两侧不呈对称分布，说明漏点确实位于两传感器中间。
5、自动相关的应用
当主管道末梢附近存在漏点，但在末梢处无裸露点时，漏点另一侧仅有一个裸露点的情况下，显然无法用常规的方法，在漏点两侧各放置一个传感器进行相关测量。英国帕玛公司针对这种情况，在麦克系列相关仪功能菜单中，设计了只用一个传感器，使用蓝色发射机将漏水声波信号转换成电信号，传到主机中进行相关确定漏点位置的方法称为自动相关法。用该方法确定漏水点时，应使漏点一侧的管道处于关闭状态，另一侧的裸露点上放置一个传感器。漏水声波在管道中以多次反射类似正弦曲线的形式向两个方向传播，以漏点直接传向传感器方向的声波先被传感器接收到，向另一方向传播的声波遇到关闭的闸门档板时，被反射向相反的方向传播，传到传感器时也被接收到。蓝色发射机将两个复合信号传到相关仪主机中，再将其分解出来，进行相关可求出漏水声波传到关闭的闸门档板的双程时间，再根据输入的速度以及关闭闸门点到传感器间的距离，即可计算出漏点位置。用自动相关法检测漏点位置，仪器操作程序与常规相关法基本一致。先以功能菜单中选择15进入自动相关程序，然后进行如下操作：
1．确定蓝色发射机连接的传感器类型以及通讯方式。
2．输入管道材质。
3．输入管径(或速度)。
4．输入管道截止点(关闭的闸门)到传感器间的距离。
5．设置滤波器。
6．按"ENTER"键进行相关。
(摘自《地下管线管理》)
