基于GPS/Wifi高精度無線同步時鐘的分布式無線聲發(fā)射系統(tǒng)及應(yīng)用

易若翔鲸匿，謝杰輝浴韭，區(qū)錦輝、劉時風(fēng)

聲發(fā)射研究

編者按：本次報告以《分布式無線聲發(fā)射系統(tǒng)》為研究對象膝但，采用了GPS和Wifi兩種主流的無線同步方法环形，開展了高精度無線同步時鐘方面的研究策泣，在大規(guī)模點陣排列的分布式聲發(fā)射定位及數(shù)據(jù)分析中取到了令人滿意的效果，并輔以現(xiàn)場案例進(jìn)行具體說明抬吟。

1 基于聲發(fā)射技術(shù)的故障定位

在聲發(fā)射的信號分析中有一個很重要的步驟就是定位萨咕，通過定位功能可以直接地知道產(chǎn)生聲發(fā)射源的位置，進(jìn)而方便對指定區(qū)域進(jìn)行二次檢查火本。比如常見的儲罐罐底定位危队，如果采用傳統(tǒng)的超聲波檢測方法可能需要幾個月時間，并且檢測的過程中需要對儲罐進(jìn)行清理等钙畔，但是采用聲發(fā)射定位可以不對儲罐進(jìn)行清理茫陆，時間也只需要幾個小時，如果檢測的結(jié)果表明有進(jìn)一步檢測的必要擎析，再采用超聲波檢測簿盅，如果沒有進(jìn)一步檢測的必要就可以直接檢測完成。二者相比叔锐，聲發(fā)射方式可以減少非常多的檢測成本。

為了實現(xiàn)聲發(fā)射的定位功能见秽，需要將各個聲發(fā)射傳感器采集儀的時間進(jìn)行同步愉烙，同步須達(dá)到us級才能實現(xiàn)較小區(qū)域的定位。

2 傳統(tǒng)時間同步方式之背景

在物聯(lián)網(wǎng)時代之前的臺式聲發(fā)射檢測儀中解取，廣泛采用板間傳輸或有線傳輸方式來實現(xiàn)時間同步步责。

2.1板間同步方式

下圖為某司的聲發(fā)射罐底腐蝕泄露檢測系統(tǒng)，其采用板間傳輸同步的方案禀苦。

圖2-1?某司聲發(fā)射罐底腐蝕泄露檢測系統(tǒng)

該方案采用多個聲發(fā)射傳感器布置于罐體的四周蔓肯，通過長距離的電纜接入到帶聲發(fā)射采集卡的計算機設(shè)備中，通過采用精度極高（可達(dá)到百ns級）的板載高速總線振乏，控制多個通道的同步采集蔗包，從而實現(xiàn)定位功能。

此方法的優(yōu)點有：

[if !supportLists]1慧邮、?[endif]同步精度很高调限，可以達(dá)到百ns級別舟陆；

[if !supportLists]2、?[endif]采樣精度高耻矮，可以達(dá)到16~18位秦躯，采樣速度高，10Msps裆装。

但存在以下缺點：

[if !supportLists]1踱承、?[endif]設(shè)備安裝復(fù)雜；

[if !supportLists]2哨免、?[endif]成本高茎活；

[if !supportLists]3、?[endif]集成通道有限铁瞒，很難做到百通道以上妙色；

[if !supportLists]4、?[endif]受傳感器線長影響慧耍，可布設(shè)空間有限身辨。

2.2有線同步方式

采用有線傳輸方式通常使用串行接口來作為傳輸介質(zhì)，通過分散式機箱布置芍碧，機箱通過無線/有線網(wǎng)絡(luò)（WIFI煌珊、4G、LORAWAN等）進(jìn)行波形參數(shù)傳輸泌豆，可以增加布設(shè)空間定庵，下圖為某司的基于485總線的分散式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。

圖2-2 某司的基于485總線的分散式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

圖2-3 分散式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)組成示意圖

每一組聲發(fā)射設(shè)備包含N個聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集通道（從1到N踪危，可動態(tài)配置）蔬浙，設(shè)備內(nèi)通過高精度總線傳輸同步信號，設(shè)備間各設(shè)備通過收發(fā)相接的RS485總線環(huán)形網(wǎng)絡(luò)贞远，傳輸同步信息實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的同步畴博。按照RS485總線的負(fù)載能力，可實現(xiàn)30-40組設(shè)備的連接蓝仲，而全網(wǎng)絡(luò)最大可實現(xiàn)700-800個通道的時鐘同步俱病。

此種方式具有以下好處：

[if !supportLists]1、?[endif]可容納的通道數(shù)較多袱结；

[if !supportLists]2亮隙、?[endif]分散式安裝，可降低安裝難度垢夹；

[if !supportLists]3溢吻、?[endif]布設(shè)空間很大，設(shè)備間距可以很廣果元。

但存在以下缺點：

[if !supportLists]1煤裙、?[endif]同步精度一般掩完，可達(dá)到十us級；

[if !supportLists]2硼砰、?[endif]485電纜較長時且蓬，需要增加中繼；

[if !supportLists]3题翰、?[endif]安裝復(fù)雜恶阴，傳感器線纜和通信線纜多。

3 物聯(lián)網(wǎng)時代下的時間同步新模式

現(xiàn)代聲發(fā)射儀器已經(jīng)逐漸進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時代豹障，之前使用485工業(yè)總線進(jìn)行有線時間同步的方式冯事，雖然有精度高、連接穩(wěn)定和高魯棒性等優(yōu)點血公，但在呈陣列排布的大規(guī)模聲發(fā)射無線設(shè)備集群的應(yīng)用中昵仅，則因缺乏靈活便捷性而顯得捉襟見肘。選用一種無線且高精度同步時鐘的方式累魔，就顯得尤為重要摔笤。

因此我們經(jīng)過反復(fù)比較和實驗，確定了基于GPS及Wifi這兩種可控距離長垦写、穩(wěn)定可靠的主流無線時間同步方式吕世。具體設(shè)計方案如下：

3.1GPS同步方式

清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備的GPS同步方案采用多模衛(wèi)星導(dǎo)航同步方式，支持北斗三代/GPS/GLONASS 等衛(wèi)星定位系統(tǒng)梯投，支持多系統(tǒng)聯(lián)合定位和單系統(tǒng)獨立定位命辖，實現(xiàn)高精度的同步功能。

清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備通過接收空間中的GPS/北斗模塊的授時同步脈沖分蓖，使用高精度的時鐘源（±1ppm）進(jìn)行計時尔艇，通過檢測PPS的脈沖邊沿來刷新時間，可實現(xiàn)±1us的同步功能么鹤。另外通過接收北斗三代/GPS/GLONASS的定位信息RMC報文终娃，可實現(xiàn)設(shè)備的定位功能。

清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備采用小型化午磁、集成化設(shè)計尝抖，設(shè)備內(nèi)部集成傳感器毡们、采集電路迅皇、可充電電池和無線同步通信功能板，可實現(xiàn)寬范圍的聲發(fā)射信號采集衙熔、支持多種無線通信方式組網(wǎng)登颓、支持多通道組合同步網(wǎng)絡(luò)等功能，具有體積小红氯、功能強框咙、使用方便等特點咕痛。

基于GPS的清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備具有以下優(yōu)點：

[if !supportLists]1、?[endif]可容納通道數(shù)很多喇嘱；

[if !supportLists]2茉贡、?[endif]安裝布設(shè)容易，只需要安裝一次者铜；

[if !supportLists]3腔丧、?[endif]組網(wǎng)方便，可實現(xiàn)與距離通信作烟；

[if !supportLists]4愉粤、?[endif]可實現(xiàn)長期無人值守；

[if !supportLists]5拿撩、?[endif]布設(shè)空間廣衣厘，不需要線纜；

[if !supportLists]6压恒、?[endif]同步精度高影暴，可達(dá)±1us；

[if !supportLists]7涎显、?[endif]成本低坤检。

存在缺點：

[if !supportLists]1、?[endif]需要放在室外使用期吓，受GPS信號影響大早歇。

3.2 Wifi無線同步方式

GPS和北斗的應(yīng)用已無處不在，但前提是要接收到衛(wèi)星信號讨勤。在接收不到信號的大壩廠房箭跳、隧道工程、核電等密閉廠房內(nèi)潭千，只能依靠時間同步服務(wù)器來同步谱姓。在監(jiān)測領(lǐng)域，出于方便和安全考慮刨晴，有些系統(tǒng)不得不采用無線通信的方式屉来，特別是對于移動式巡檢監(jiān)測系統(tǒng)，只能通過無線方式實現(xiàn)時間同步和秒脈沖同步狈癞。

3.2.1 WIFI無線同步技術(shù)

WIFI無線同步技術(shù)由WIFI網(wǎng)內(nèi)的無線主端設(shè)備為控制主體茄靠，以特定無線模式的無線定向廣播方式，向目標(biāo)設(shè)備群組中若干無線從端設(shè)備發(fā)送包含同步時間標(biāo)識和同步數(shù)據(jù)包的同步序列信標(biāo)蝶桶。當(dāng)附近的無線從端設(shè)備接收到無線主端設(shè)備發(fā)送的同步時間標(biāo)識時慨绳，根據(jù)同步時間標(biāo)識與無線主端設(shè)備建立并保持同步匹配狀態(tài)，將相應(yīng)的匹配核驗標(biāo)識置入其設(shè)備狀態(tài)信標(biāo)之中。無線從端設(shè)備在與無線主端設(shè)備的同步匹配狀態(tài)下脐雪，在每個同步時間周期內(nèi)保持無線時隙同步厌小，并在每個同步有效期內(nèi)至少執(zhí)行一次同步時間校正，以保持同步匹配狀態(tài)战秋。無線從端設(shè)備在其同步偵測接收時隙內(nèi)啟動接收所述同步數(shù)據(jù)包璧亚，并在所述同步有效期內(nèi)接收所述同步數(shù)據(jù)包，并將當(dāng)前對應(yīng)同步數(shù)據(jù)包接收的狀態(tài)核驗碼置入設(shè)備狀態(tài)信標(biāo)之中脂信。

3.2.2 聲發(fā)射設(shè)備

IOT聲發(fā)射設(shè)備基于上述無線同步技術(shù)涨岁，使用2.4GHz ISM頻段（與2.4G WiFi同頻段，會自動避開WiFi信道）吉嚣，通過星形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1個主機梢薪，其余為路由節(jié)點）實現(xiàn)同步組網(wǎng)功能，如下圖所示尝哆。

圖3-1 基于WIFI無線同步組網(wǎng)的清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備系統(tǒng)

下圖為某項目使用的基于WIFI無線同步的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)秉撇，采用100臺設(shè)備通過無線WIFI路由器與電腦（分析終端）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過無線WIFI同步網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間同步秋泄，對泄露產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析琐馆，從而實現(xiàn)故障定位。

基于GPS的清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備具有以下優(yōu)點：

[if !supportLists]1恒序、?[endif]可容納通道數(shù)很多瘦麸；

[if !supportLists]2、?[endif]安裝布設(shè)容易歧胁，只需要安裝一次滋饲；

[if !supportLists]3、?[endif]組網(wǎng)方便喊巍，可實現(xiàn)與距離通信屠缭；

[if !supportLists]4、?[endif]可實現(xiàn)長期無人值守崭参；

[if !supportLists]5呵曹、?[endif]布設(shè)空間廣，不需要線纜何暮；

[if !supportLists]6奄喂、?[endif]同步精度高，可達(dá)±1us海洼；

[if !supportLists]7跨新、?[endif]成本低。

存在缺點：

[if !supportLists]1贰军、?[endif]受無線信號強度影響大玻蝌，容易受障礙物影響。

3.3 小結(jié)

以上4種同步方式各有特點词疼，在使用時可根據(jù)需求選擇合適的設(shè)備俯树，4種同步方式的對比如下：

表1 ?4種同步方式對比表

?信號精度安裝難度同步精度布設(shè)空間維護(hù)難度成本

板間同步最高高最高小高最高

有線同步高一般中中中中

GPS同步中低高廣低低

無線同步中低高廣低低

3.4 無線時鐘同步系統(tǒng)總體設(shè)計

工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中大型設(shè)備或系統(tǒng)在長期的運行工作中會發(fā)生不可預(yù)知的故障或異常》〉粒基于物聯(lián)網(wǎng)的聲發(fā)射設(shè)備能夠快速檢測到故障或異常的發(fā)生许饿，可用于對大型設(shè)備的長期實時遠(yuǎn)程監(jiān)測；基于高精度的聲發(fā)射源定位能夠幫助工程人員快速定位故障或異常發(fā)生的位置舵盈，可用于對大型設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測和檢測陋率。大型設(shè)備或系統(tǒng)所處的環(huán)境復(fù)雜多樣，有些是戶外環(huán)境秽晚，有些是室內(nèi)環(huán)境瓦糟，有些是無法使用無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，為了適應(yīng)多種環(huán)境的需求赴蝇，最新的清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備內(nèi)部兼容GPS/無線/有線3種同步方式菩浙，可通過配置同步模式，選擇GPS同步句伶、無線同步和有線同步劲蜻。設(shè)備內(nèi)部集成了GPS、WIFI同步及485同步電路考余，通過主控芯片實現(xiàn)這些同步功能電路的切換先嬉，從而適應(yīng)多種同步方式。設(shè)備的原理框圖如下：

圖3-3 清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備硬件原理示意圖

通過此種方式楚堤，該設(shè)備可兼容多種室內(nèi)室外疫蔓、有線無線的應(yīng)用場景，提供高精度的同步功能身冬，從而實現(xiàn)聲發(fā)射系統(tǒng)的故障定位功能鳄袍。???????

該設(shè)備的參數(shù)如表2所示。

表2清誠IOT聲發(fā)射設(shè)備硬件參數(shù)

通道組合多通道組合使用輸入帶寬10KHz-1000KHz

采集方式信號觸發(fā)/時間觸發(fā)模擬濾波器多頻段可選

同步時鐘GPS：同步時鐘優(yōu)于1us

WiFi：同步時鐘優(yōu)于10us

有線：同步時鐘優(yōu)于10us

防護(hù)等級IP62~IP67吏恭，可根據(jù)用戶環(huán)境需求配置

采集頻率單通道最大采樣率2M點/s內(nèi)置SD卡容量64GB(可拓展至512GB)

采集精度16位通訊方式4G拗小、WiFi、LAN等樱哼；

系統(tǒng)噪聲優(yōu)于30dB使用溫度范圍-20℃-60℃

AE特征參數(shù)到達(dá)時間哀九、幅度、振鈴計數(shù)搅幅、能量阅束、上升時間、持續(xù)時間茄唐、RMS息裸、ASL數(shù)據(jù)輸出波形蝇更、參數(shù)、參數(shù)評級呼盆、可根據(jù)參數(shù)評級來選擇是否上傳波形年扩、參數(shù)

數(shù)字濾波器256階的FIR濾波器，0KHz~1000KHz頻率范圍內(nèi)任意數(shù)值設(shè)置直通访圃、高通厨幻、低通、帶通供電12VDC外部電源腿时，或內(nèi)置電池供電况脆，電池工作時長最大40小時。

4 無線同步時鐘設(shè)備現(xiàn)狀及同步時鐘精度測試

4.1 GPS/Wifi無線同步時鐘版M1產(chǎn)品現(xiàn)狀

GPS無線同步時鐘版M1聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由多個獨立的單通道聲發(fā)射采集器通過WiFi傳輸?shù)诫娔X上位機軟件或通過4G傳輸?shù)皆贫似脚_的多通道實時聲發(fā)射采集系統(tǒng)批糟。每個采集器之間的數(shù)據(jù)時間同步通過接收GPS時間來實現(xiàn)格了，且同步時鐘精度可以達(dá)到1us以內(nèi)，適用于各種需要實現(xiàn)時差定位的場合徽鼎，如儲罐底板腐蝕時差定位笆搓、壓力容器裂紋開裂定位檢測等。

WiFi無線同步時鐘版M1聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由多個獨立的單通道聲發(fā)射采集器通過WiFi傳輸?shù)诫娔X上位機軟件的多通道實時聲發(fā)射采集系統(tǒng)纬傲。通過WiFi星形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1個主機满败，其余為路由節(jié)點）實現(xiàn)同步組網(wǎng)功能，無線同步時鐘精度優(yōu)于±10us叹括。適用于在接收不到衛(wèi)星信號的大壩廠房算墨、隧道工程、核電等密閉廠房內(nèi)只能依靠局部組網(wǎng)的方式來同步的環(huán)境汁雷。

4-1 GPS無線同步時鐘版M14-2 WiFi無線同步時鐘版M1

表2GPS/WiFi無線同步時鐘版M1硬件參數(shù)

通道組合單通道或多通道組合使用輸入帶寬10KHz-1000KHz

采集方式信號觸發(fā)/時間觸發(fā)模擬濾波器多頻段可選

無線同步時鐘GPS,同步時鐘優(yōu)于1us

WiFi,同步時鐘優(yōu)于10us

防護(hù)等級IP62

采集頻率單通道最大采樣率2M點/s內(nèi)置SD卡容量64GB(可拓展至512GB)

采集精度16位通訊方式4G净嘀、WiFi；

系統(tǒng)噪聲優(yōu)于30dB使用溫度范圍-20℃-60℃

AE特征參數(shù)到達(dá)時間侠讯、幅度挖藏、振鈴計數(shù)、能量厢漩、上升時間膜眠、持續(xù)時間、RMS溜嗜、ASL數(shù)據(jù)輸出波形宵膨、參數(shù)、參數(shù)評級炸宵、可根據(jù)參數(shù)評級來選擇是否上傳波形辟躏、參數(shù)

數(shù)字濾波器256階的FIR濾波器，0KHz~1000KHz頻率范圍內(nèi)任意數(shù)值設(shè)置直通土全、高通捎琐、低通会涎、帶通供電12VDC外部電源，或內(nèi)置電池供電

4.2 同步時鐘精度測試

取500mm×500mm鋼板瑞凑，四個角分別放上放上無線同步時鐘RAEM1末秃，在鐵板上沿著“A”的路徑折斷0.5mmHB硬度鉛筆芯的方式，得到定位圖如右圖所示拨黔，時差精度高、定位效果好绰沥。

圖4-3：測試環(huán)境圖4-4：測試結(jié)果

5 應(yīng)用方案及案例

5.1 某核電安全殼內(nèi)泄漏精確定位

在核電反應(yīng)堆廠房安全殼整體密封性試驗過程中出現(xiàn)泄漏率超標(biāo)時篱蝇，通過安裝在安全殼內(nèi)部的WiFi高精度無線同步時鐘版的RAEM1采集數(shù)據(jù)，傳輸?shù)桨踩珰ね獾碾娔X上位機軟件徽曲，可快速和準(zhǔn)確地找到泄漏點位置零截。

無線傳感系統(tǒng)由100只無線傳感單元（1只主機，99只從機）和電腦上位機軟件組成秃臣。當(dāng)泄露發(fā)生時涧衙，100只高同步時鐘精度的RAEM1同時采集波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過波形相關(guān)算法計算出到達(dá)陣列內(nèi)傳感器的時差奥此，進(jìn)而用面定位算法計算出泄露源位置弧哎。其無線傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局示意圖如下圖所示。

圖5-1 傳感器原理框圖圖5-2傳感器詳細(xì)布置圖

5.2 管道泄露定位

傳感器安裝在一段10米長的管道上稚虎，分別接入兩個GPS無線同步時鐘版本RAEM1撤嫩，如下圖5-3、5-4所示蠢终，數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)诫娔X上位機軟件序攘。

實驗1：兩個傳感器中間位置斷鉛1次，得到定位圖如5-5所示寻拂；

實驗2：在靠近1#傳感器2米位置斷鉛6次程奠，得到定位圖如5-5所示；

結(jié)論：GPS版本的RAEM1同步時鐘精度能準(zhǔn)確定位祭钉，結(jié)合相關(guān)算法可以用于壓力管道外泄漏或閥門內(nèi)泄漏瞄沙。

圖5-3 傳感器安裝圖圖5-4 1#、2#傳感器分布圖

圖5-5 中間斷鉛一次圖5-6 靠近1#傳感器2米位置斷鉛6次

5.3常壓儲罐底板腐蝕檢測慌核、球罐等壓力容器裂紋檢測

傳統(tǒng)儲罐底板腐蝕檢測帕识，傳感器需要拉線到聲發(fā)射采集器，同時還要拉電纜給聲發(fā)射采集儀供電遂铡，線纜眾多肮疗，費時費力。采用WiFi無線同步時鐘版的RAEM1扒接，其傳感器伪货、采集器们衙、通訊、時鐘同步碱呼、電池一體化內(nèi)置在圓筒里面蒙挑，可以完全免除布線，整體通過電池供電愚臀，可以連續(xù)工作5小時以上忆蚀，完全滿足2-3次檢測需求，并且通道數(shù)可以靈活配置姑裂，大大提高了檢測的效率馋袜。其原理框圖如下圖5-7、5-8所示：

圖5-7 WiFi無線同步時鐘一體化版RAEM1常壓儲罐底板腐蝕檢測

圖5-8 WiFi無線同步時鐘一體化版RAEM1球罐檢測

6 總結(jié)

基于GPS/Wifi高精度無線同步時鐘的分布式無線聲發(fā)射系統(tǒng)可以實現(xiàn)分布式高精度無線同步時鐘定位舶斧，目前已經(jīng)在常壓儲罐底板腐蝕定位欣鳖、壓力容器等裂紋定位、泄露源定位有應(yīng)用案例茴厉。配合物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)聲發(fā)射設(shè)備泽台，可以實現(xiàn)無線同步時鐘時差定位的長期在線監(jiān)測。