郭方，李培根，齊順

(1.福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108; 2.福州華虹智能科技開發(fā)有限公司，福州 350001)

測(cè)線分類在坑透反演成圖中的應(yīng)用

郭方1，李培根2，齊順2

(1.福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108; 2.福州華虹智能科技開發(fā)有限公司，福州 350001)

針對(duì)目前井下坑透時(shí)干擾因素較多而導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)噪聲大的問(wèn)題，提出一種新的接收?qǐng)鰪?qiáng)濾波方法。探索了測(cè)線長(zhǎng)度分類在提高坑透反演成圖質(zhì)量中的應(yīng)用。首先將工作面內(nèi)發(fā)射－接收距離相同射線的接收?qǐng)鰪?qiáng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分類劃為一組，然后利用小波分析方法對(duì)各組測(cè)線的接收?qǐng)鰪?qiáng)進(jìn)行降噪處理，經(jīng)過(guò)降噪處理的數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行坑透反演成圖。理論仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)分析表明:基于測(cè)線分類的濾波方法能在一定程度上改善坑透反演成圖的質(zhì)量，較好地突出異常區(qū)的位置，對(duì)坑透反演成像有一定的指導(dǎo)意義。

坑透;測(cè)線分類;反演成圖

無(wú)線電磁波坑透技術(shù)(坑透法)是利用探測(cè)目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間的電性差異來(lái)研究、確定目標(biāo)體位置、形態(tài)、大小及物性參數(shù)的一種物探方法。當(dāng)前，坑透法與瞬變電磁法、電法等一起構(gòu)成煤炭綜采的高安全保障技術(shù)手段［1－4］。利用此技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)反演，可以方便地了解綜采工作面的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，判斷地質(zhì)內(nèi)的異常區(qū)域［5－10］。在綜采數(shù)據(jù)反演成像過(guò)程中，接收端場(chǎng)強(qiáng)作為工作面異常體的間接表征，其數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)成像效果有著重要的影響。但是在實(shí)際工作中，由于周邊環(huán)境和儀器本身的干擾，接收?qǐng)鰪?qiáng)噪聲很大［11］。針對(duì)這種情況，一些學(xué)者提出相應(yīng)的去噪方法，總結(jié)出一些求取初始場(chǎng)強(qiáng)的方法［12－13］。這些方法通過(guò)多次接收求平均來(lái)消除儀器等造成的隨機(jī)誤差，但井下風(fēng)管、水管、電纜、金屬導(dǎo)體及動(dòng)力設(shè)備所引起的輕微場(chǎng)強(qiáng)誤差一般很難去除，從而在較大程度上影響坑透反演成圖的質(zhì)量。

基于此，本文在有關(guān)學(xué)者已有工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)綜采面測(cè)線分布特點(diǎn)和規(guī)律，提出一種新的接收?qǐng)鰪?qiáng)濾波方式。由于一個(gè)綜采面有很多條發(fā)射－接收點(diǎn)距離相同的測(cè)線，這些線并不全部經(jīng)過(guò)異常點(diǎn)，一般情況下，只有很少的一部分經(jīng)過(guò)異常點(diǎn)，而那些沒(méi)經(jīng)過(guò)異常點(diǎn)的測(cè)線場(chǎng)強(qiáng)值就代表了綜采面的背景接收值，理論上這些值應(yīng)該相同或相近。因此，可以把這些相同長(zhǎng)度測(cè)線的場(chǎng)強(qiáng)值分為一組，將各組場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行濾波處理后，用濾波后的新值代替原接收?qǐng)鰪?qiáng)值進(jìn)行坑透反演。

1 坑透理論

坑透法以無(wú)線電磁波發(fā)射為基礎(chǔ)。根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在均勻介質(zhì)中的輻射場(chǎng)隨距離呈一定的規(guī)律變化［12］。

假設(shè)原點(diǎn)A在輻射源(天線軸)中心，在無(wú)限均勻、各向同性的介質(zhì)中，觀測(cè)點(diǎn)P到A點(diǎn)的距離為r(觀測(cè)點(diǎn)在輻射場(chǎng)內(nèi)，見圖1)。在此條件下求解導(dǎo)電介質(zhì)中的波動(dòng)方程，即可求得P點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度H。式(1)中:H0為初始場(chǎng)強(qiáng)，取決于發(fā)射機(jī)功率及周圍介質(zhì);β為煤層對(duì)電磁波能量的吸收系數(shù);r為測(cè)點(diǎn)到輻射源原點(diǎn)的距離;sinθ為方向因子，θ是天線軸線與觀測(cè)方向的夾角，一般取90°。其中，β又可以用以下公式表示:

式(2)中:ω為角頻率;μ為導(dǎo)磁率;ε為介電常數(shù); σ為導(dǎo)電率。

當(dāng)頻率ω=2πf不變時(shí)，β=F(ε、μ、σ)，即β是ε、μ、σ的函數(shù)。當(dāng)電磁波穿越不同電性的煤巖層時(shí)，μ差別不大。所以ε、σ的改變會(huì)引起β與H值的明顯變化。

圖1 偶極子天線輻射場(chǎng)

當(dāng)電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性(電阻率ρ和介電常數(shù)ε)不同，對(duì)電磁波能量的吸收不同，于是可根據(jù)這些不同結(jié)構(gòu)的吸收參數(shù)來(lái)判斷工作面內(nèi)的異常區(qū)。低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗，使接收巷道中的電磁波信號(hào)十分微弱甚至接收不到透射信號(hào)，形成所謂的透射異常(又稱陰影異常)，見圖2。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對(duì)電磁波的影響所造成的各種無(wú)線電波透視異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋，這就是坑透法的基本原理。

圖2 無(wú)線坑透接收?qǐng)鰪?qiáng)

為計(jì)算方便，實(shí)際應(yīng)用中，式(1)又可以表示為

2 工作面測(cè)線分類

2.1 工作面測(cè)線分布

無(wú)線電波透視觀測(cè)一般在兩巷道間進(jìn)行，其中一巷道布置發(fā)射點(diǎn)，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，接受點(diǎn)布置在另一巷道進(jìn)行相應(yīng)接收。為提高探測(cè)效率，目前普遍采用定點(diǎn)法方式［13］。發(fā)射機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定位置，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值，即定點(diǎn)發(fā)射多點(diǎn)等間距(扇形)接收。

在實(shí)際情況下，綜采工作面寬度大都在150 m左右，長(zhǎng)度為500 m以上。測(cè)線采用扇形結(jié)構(gòu)，各接收點(diǎn)的間距在10 m左右，一般接收點(diǎn)為11 m (圖3)。因此各測(cè)線長(zhǎng)度差別不很大，即理論接收?qǐng)鰪?qiáng)值相差很小。

圖3 無(wú)線坑透測(cè)線分布

2.2 工作區(qū)內(nèi)測(cè)線分類

在實(shí)際坑透過(guò)程中，由于一個(gè)工作面往往有多個(gè)相同的扇形測(cè)區(qū)，若每個(gè)測(cè)區(qū)都采用對(duì)稱分布，則一個(gè)測(cè)區(qū)就有兩條長(zhǎng)度相同的測(cè)線。對(duì)于n個(gè)發(fā)射測(cè)點(diǎn)的綜采工作面，就有2n個(gè)相同的測(cè)線。因此可把這2n條相同測(cè)線的場(chǎng)強(qiáng)接收值化為一組進(jìn)行信號(hào)處理。這樣，整個(gè)工作面測(cè)線可分為m組相同長(zhǎng)度的測(cè)線。對(duì)于每組測(cè)線，根據(jù)式(1)，理論上它們的接收值應(yīng)該相等，但實(shí)際上由于測(cè)試誤差、現(xiàn)場(chǎng)干擾和異常區(qū)的影響，這些測(cè)線的值并不完全相等?？紤]到這些測(cè)線的長(zhǎng)度相同，因此可以對(duì)每組測(cè)線進(jìn)行濾波處理。

近年來(lái)，創(chuàng)造力研究領(lǐng)域更具包容性地關(guān)注創(chuàng)造性的情感．許多研究顯示，積極的情感影響個(gè)人的創(chuàng)造過(guò)程．什么是積極的創(chuàng)造性情感，以下研究能給出一定的啟示．

2.3 小波濾波去噪

在信號(hào)濾波的眾多方法中，由于小波變換具有良好的時(shí)頻局部化和多分辨率等特性，因此可很好地刻畫信號(hào)邊緣、尖峰、斷點(diǎn)等非平穩(wěn)特性，在去除噪聲對(duì)信號(hào)影響的同時(shí)，還可以保留信號(hào)的突變位置和邊緣信息，具有更好的濾波效果。所以，以小波變換為基礎(chǔ)的濾波方法廣泛用于各種信號(hào)處理過(guò)程［14－15］，其基本定義如下:

對(duì)任一函數(shù)

則它的連續(xù)小波變換為

由于每組接收?qǐng)鰪?qiáng)的坑透數(shù)據(jù)具有非平穩(wěn)特性，往往每組數(shù)據(jù)既有噪聲數(shù)據(jù)，又有異常點(diǎn)的突變數(shù)據(jù)，因此較適合于小波處理。

小波降噪的一般處理過(guò)程為:①選擇小波包進(jìn)行小波正變換;②閾值處理;③小波反變換。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為測(cè)試算法效果，本文根據(jù)式(3)建立均勻介質(zhì)中的異常構(gòu)造幾何模型(如圖4所示)，并取背景吸收系數(shù)為0.003 db/m，異常區(qū)吸收系數(shù)為0.005 db/m。3塊異常區(qū)大小都是30 m×20 m，模型區(qū)域網(wǎng)格劃分為100×20。

圖4 綜采面仿真模型

取初始場(chǎng)強(qiáng)為120 db進(jìn)行系統(tǒng)仿真。為反映實(shí)際測(cè)試環(huán)境，仿真后工作區(qū)內(nèi)各接收?qǐng)鰪?qiáng)值加入幅值為±0.5 db的環(huán)境噪聲，其場(chǎng)強(qiáng)曲線如圖5所示。

從圖5可以看出:仿真工作面共有200 m、200.25 m、201.00 m、202.24 m、203.96 m、206.16 m 6種測(cè)線，因此整個(gè)工作面測(cè)線被分為6組。各組測(cè)線和小波濾波后的場(chǎng)強(qiáng)值曲線如圖6所示。

圖5 仿真場(chǎng)強(qiáng)分布

圖6 各組仿真場(chǎng)強(qiáng)值和濾波后的場(chǎng)強(qiáng)值

將原始場(chǎng)強(qiáng)值和濾波后的場(chǎng)強(qiáng)值分別代入式(3)進(jìn)行工作面成圖反演，迭代500次得到圖7的反演成圖。對(duì)比圖4的仿真模型可以看出，濾波后的異常點(diǎn)2和4更加突出。

圖7 仿真數(shù)據(jù)反演成圖

3.2 綜采數(shù)據(jù)分析

為測(cè)試實(shí)際算法效果，本文對(duì)某礦采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。礦體綜采面長(zhǎng)度為1 200 m，寬度為185 m。按照?qǐng)D3測(cè)線分布測(cè)得工作面的場(chǎng)強(qiáng)分布曲線如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布

在本工作面測(cè)量中，共有185.00 m、185.27 m、186.08 m、187.42 m、189.28 m、191.64 m共6種測(cè)線。整個(gè)工作面測(cè)線被分為6組，各組測(cè)線和小波濾波后的場(chǎng)強(qiáng)值曲線如圖9所示。

圖9 各組測(cè)線場(chǎng)強(qiáng)值和濾波后的場(chǎng)強(qiáng)值

將濾波后的場(chǎng)強(qiáng)接收值代入式(3)，利用SIRT算法求解此方程組，迭代500次后得到工作面反演圖如圖10所示。從圖10可看出，工作面共有4處異常區(qū)。對(duì)比圖10(a)和(b)可知:使用小波濾波后的反演成圖中，異常區(qū)2、3、4的位置信息更為具體?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回采發(fā)現(xiàn)，工作面內(nèi)的4個(gè)異常區(qū)的位置與圖10(b)成圖結(jié)果較為接近。

圖10 不同接收?qǐng)鰪?qiáng)反演成圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)坑透工作面數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，提出了一種新的數(shù)據(jù)處理方法。該方法將工作面內(nèi)長(zhǎng)度相同的測(cè)線接收?qǐng)鰪?qiáng)值歸為一組，在此基礎(chǔ)上對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行小波降噪處理。濾波后的數(shù)據(jù)被用來(lái)進(jìn)行坑透反演成圖。理論和實(shí)踐證明:將測(cè)線進(jìn)行歸類濾波可在一定程度上壓制環(huán)境背景噪聲，提高反演成圖的清晰度和分辨率，從而與實(shí)際更為接近，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和進(jìn)一步的算法研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Application of Classified Probing Lines in Inverting Image with Tunnel Perspective

GUO Fang1，LI Pei－gen2，QI Shun2
(1.Department of Information Science and Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China;
2.Fuzhou Huahong Intelligent Technology Development Co.，Ltd，F(xiàn)uzhou 350001，China)

Aiming for the issue of receiving field intensity with much noise，a novel method to filter the noise of receiving field intensity is proposed，and the technology of enhancing the imaging quality of radio electromagnetic wave tunnel perspective with classified probing lines is explored initially.Firstly，the

field intensity values of the same probing lines are classified as a group.Then the each group data is filtered with wavelet.Finally，the optimized data is used to invert the image of working plane.The attenuation formula of electromagnetic are established，and the background absorption coefficient and initial field intensity is solved by LM optimization algorithm.Theoretical analysis and experimental results indicate that the method could prompt the imaging quality to some extent，and the location of abnormal area could be enhanced.The proposed method is significant to guide the inverting and imaging of the working plane in the process of radio electromagnetic wave tunnel perspective.

tunnel perspective;probing lines classification;inverting image

TD15

A

1674－8425(2014)03－0122－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.022

2013－11－28

福建省教育廳資助項(xiàng)目(JB13142);福建工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(GY－Z12078)

郭方(1977—)，男，安徽人，講師，主要從事光電信息處理方面研究。

郭方，李培根，齊順.測(cè)線分類在坑透反演成圖中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(3): 122－126.

format:GUO Fang，LI Pei－gen，QI Shun.Application of Classified Probing Lines in Inverting Image with Tunnel Perspective［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):122－126.