自然电磁脉冲剖面成像滤波分析.pdf

收稿日期：作者简介：罗寿涛（），男，陕西旬阳人，工程师，主要从事矿井地质、防治水、物探等技术管理工作。自然电磁脉冲剖面成像滤波分析罗寿涛，祁云望，郑丽娟，杨皓洁（陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 渭南 ；陕西浩兴坤达新能源科技有限公司，陕西 西安 ）摘要：在地下煤田的开发中，工作面内的小构造、异常体、煤层厚度变化等是需要解决的关键问题，而自然电磁脉冲勘探技术则为这些问题的解决提供了重要的物探方法。该技术的主要解释手段之一是利用真实的地质数据结合合理化数据处理方法形成层析成像剖面。由于数据采集过程中会产生不可避免的噪声，进而影响数据质量。故此，需要在层析成像过程中选择一种合理的滤波方式进行去噪、分辨率优化等，该过程亦是抑制和防止干扰的一项重要措施。关键词：自然电磁脉冲；勘探技术；层析成像；滤波中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言在制作层析成像剖面时，网格参数的选取在一定程度上依赖原始数据点密集程度这一特征，这是为了使网格化数据适应原始数据的特征达到更加均匀分布的效果。所以参数的选取必须在数据采样点附近波动选取，这样才会使得所建立的地质模拟算法在层析成像后最大程度上保留原有电磁脉冲信号值的数据信息，使得不同网格化方法的插值效果在原有数据的基础上更加逼真地显示研究区域的地质特点，也能使得层析剖面在后续去噪时保留最为真实的地质信息，对于后续地质解释是至关重要的。而滤波即是将信号中的特定波段频率进行滤除的过程，是减弱或者抑制干扰的一项重要措施。采用矢量电磁信号接收设备进行信息收集，该设备在地质剖面测量时，接收信号使用矢量天线，通过阈值设备使信号放大，指示器在 内完成对超过预定阈值的脉冲数量统计，之后发送到转换装置和永久存储设备，所有参数均在工作过程中瞬时同步完成。试验证明该设备可迅速识别非均质性地质体，和明显的内部应力 自然电磁脉冲变化。自然电磁脉冲勘探技术原理地应力是存在于岩体中的初始应力，其在地层罗寿涛祁云望郑丽娟等自然电磁脉冲剖面成像滤波分析 年原始沉积状态，且未受外界扰动的情况下，会趋于一个相对稳定的应力关系。岩石在地应力的作用下，随着压力的增大，产生了压电效应。压电效应引起裂隙表面电子储存，当电场达到一定数值时，储存在岩石中的能量突然释放，这一过程伴随着岩石固体晶格的断裂。通过压电效应，晶格中的纵振动声波将引起横向电极化，这一极化会与某一特定波段的电磁波强烈耦合，从而出现极化激元；当地层的内部结构、构造因为天然或者人工的因素发生变化的时候，其“平衡因子”被改变，地球内部具有类压电体性质的岩石应力状态发生变化，产生电磁声子，形成电磁脉冲波，进而呈现差异反应。利用自然电磁脉冲勘探技术对应力变化的敏感性，可有效辨别出目的层应力异常区范围，进而判断出采空区与断裂的展布情况。自然电磁脉冲剖面不同滤波方法分析自然电磁脉冲勘探技术属于新型地质勘探技术，在项目实施过程中也一直在尝试不同的勘探参数来使勘探剖面更加契合当地地质情况，本次项目任务采用六旋翼无人机挂载设备低速采集数据，故在处理层析剖面时，为了使相关参数吻合数据采集点的均匀分布，借鉴地震勘探领域的高分辨率和去噪处理技术，采用多种滤波技术，对成像数据进行处理，提高成像剖面分辨率和连续性。根据任务要求，对层位及断层需要更精确的推断解释，为了得到较好的效果，采用滤波方法。低通滤波低通滤波技术是图像处理中较为常用的一种手段，它以改变标的物或者背景之间的灰度反差，主要增强地层图像的个别频率特征。在处理图像信号的过程中，个别跳跃部分以及个体噪声信号表现为高频分量，而背景图像信号则表现为大面积的低频分量。通过低通滤波技术可以大大增强低频信号，同时抑制高频信息，保留并突出显现较均匀连接的主体图像。采用低通滤波器可以去除随机干扰提高连续性，如高斯滤波器等传统图像滤波器，但这些滤波器与图像内容之间是相互独立的，滤波时对图像内的所有像素都进行相同的运算，这常常会导致滤除噪声的同时也抹去了图像的细节，增强图像细节的时候又增强了图像噪声，如图 、所示。?图 剖面层析成像低通滤波分析?图 剖面层析成像低通滤波分析 高通滤波高通滤波技术简单理解就是将数据中低于滤波界值的数据过滤掉，主要作用是加强数据成像效果，其原理和低通滤波截然相反，主要是去除背景值变化影响而加强局部细节，促使图像更加尖锐化，如图、所示。维纳滤波维纳滤波方法是从噪声中提取信号波形的各种估计方法中最基本的方法，由美国科学家维纳在 年提出，其主要目的是提高分辨率。该技术是利用平稳随机过程的相关特性和频谱特性对混有噪声的信号进行滤波的方法，即假定线性滤波器的输入为有用信号和噪声之和，两者均为广义平稳过程且知它们的二阶统计特性。维纳根据最小均方误差准则（滤波器的输出信号与需要信号之差的均方值最小），求得最佳线性滤波器的参数，即维纳滤波器。第 期罗寿涛祁云望郑丽娟等自然电磁脉冲剖面成像滤波分析?图 剖面层析成像高通滤波分析?图 剖面层析成像高通滤波分析 设定维纳滤波器的输入信号为随机的，且含噪声，理论输出与实际输出之间的差值为误差，对该误差求均方，即为均方误差。因此，均方误差越小，噪声滤除效果就越好。为使均方误差最小，就需要满足维纳 霍夫方程，进而使维纳滤波器达到最佳。根据维纳 霍夫方程，最佳维纳滤波器的冲激响应，完全由输入自相关函数以及输入与期望输出的互相关函数所决定。在本项目中设计期望输出为脉冲函数，通过维纳滤波后，实际输出结果能够大幅提高成像结果分辨率。维纳滤波缺陷是提高分辨率同时放大了噪声，横向连续性变差，因此需要采用其他技术压制噪声，提高信噪比和连续性。导向滤波为了使滤波器和图像内容更好的结合，研究人员提出使用导向图来建立滤波器。如常用的双边滤波，就是根据导向图色彩相似性对局部像素进行加权得到新的像素值，然而双边滤波可能会出现一些梯度反转伪影。导向滤波方法在平滑同时能够保持纹理结构特征，有效保护微断裂构造信息，提高成像剖面信噪比。其原理是：设引导图 ，输入图像 ，输出图像。导向滤波的目标是使得输入 和输出 尽可能相同，同时纹理部分和引导图 相似。为了满足输入 和输出 尽可能相似，需要最小化平方差 （）（）为了满足输出图像 的纹理和引导图 的纹理相似，需要 （）积分得到 （）考虑一个小窗口，在 内认为 ，保持不变，设为，。内的像素满足 ，（）把式（）代入式（），使窗口内的像素同时满足上面 个条件。（，）（）（）其中 是一个惩罚大的 的正则化参数。使（）最小，满足 （）（）（）（）()（）其中 是窗口 的像素总数。解得 （）（）（）陕西煤炭 年如果设珋是输入图 在窗口的平均值，和是引导图 在窗口的平均值和方差。可以发现 珋 （，）（）珋（）式中，（，）珋为引导图 和输入图 在 的协方差。计算出，后，就可以根据（）来计算窗口的输出像素。对于一个像素 ，输出值 和所有覆盖像素 的窗口 有关。所以当 不同，的值也不相同。一个简单的策略是平均所有可能的值。计算了所有覆盖 的窗口 的，所有覆盖像素 的窗口 的个数为 ，那么 （）（）珔珋（）式中，珔 ，珋 。特别的，当引导图 和输入图像 相同的时候，导向滤波等价于边缘保持高斯平滑滤波器。分析如下。当 时，很明显 （，），珋，由式（）（）得到，（）。当 时，即输出和输入图像相同。如果 ，考虑 种情况。第一种，高方差。如果图像 在窗口 中有很多变化，那么 ，有 ，。第二种，平坦块。那么 ，有 ，。如果整个输入图像都如窗口 似的很平坦的，当，被平均后得到珔 ，珋，。因此，当一个像素在高方差的窗口中时，它的输出值是不变的。在平坦区域中，它的输出值变成周围窗口像素的平均值。具体的高方差和平坦的标准是由参数 控制的。如果窗口的方差比此参数小的多则被平滑，那么方差大得多的则被保留。而窗口的大（）（）?图 剖面层析成像维纳滤波 导向滤波分析?图 剖面层析成像维纳滤波 导向滤波分析 式中，为像素下标；滤波器核 为引导图 的函数并且与 独立。把（）带入（）消去 得到 （）珋）（）求偏导（）其中珋 （）当 处于窗口 时，否则为 。()（）把式（）（）带入式（）得到第 期罗寿涛祁云望郑丽娟等自然电磁脉冲剖面成像滤波分析小决定了参考周围多大范围的像素来计算方差和均值。至此，已经可以根据（）（）式计算导向滤波的参数，从而计算输出图像 ，如图 、所示。导向滤波在像素点 的滤波结果可以表达为一个加权平均 （）珋()（），（）（）()（）（）（）导引图可以采用原始图像，也可以采用迭代方式进行处理，还可以通过对原始图像进行滤波后得到高质量导引图像，如 滤波、双边滤波、局部平面波分解倾角滤波、域 降秩分解滤波等。层析成像效果研究 各类滤波方法对比分析勘探任务主要包括对 号煤层、号煤层、号煤层赋存、构造形态、奥灰顶面起伏情况进行解释，解释精度要高 在前期数据采集上，通过搭载设备低速飞行，已经有效解决了采样点间距不均匀的缺点，数据质量具有一定的可靠性。考虑到小网格对层位追踪解释较为敏感，结合该区域钻孔资料可知，研究区煤层比较薄。本次勘探区域数据采集设备为六旋翼无人机，数据采样间距精细化，可达 ，故层析成像剖面选取参数为 。层析成像滤波处理也有了更新，利用多次滤波处理的剖面进行效果比对分析，具体如图 、所示。通过对上述几种滤波方法数据处理后的层析成像剖面对比可知，低通滤波和高通滤波虽然从去杂或细节尖锐化均具有良好的表现。但是综合比较来看，低通滤波对剖面细节亦进行了过滤，高通滤波处理后的剖面和真实地质情况有所差别。而在维纳滤波的基础上再次进行导向滤波处理，则能大幅度提高成像剖面的分辨率和连续性。?图 网格 层析成像分析 对比图 表 。这样的勘查精度几乎颠覆了行业的认知，亦是传统物探方法所不能比拟的。由此，一方面验证了上述维纳滤波与导向滤波方法的有效性、高效性；另一方面，也说明自然电磁脉冲勘探技术对煤矿勘查的超高解释精度。表 号煤层滤波后解释厚度与实际厚度对比 回风巷道部位解释厚度 实际厚度 东翼 中部 西翼 陕西煤炭 年。维纳滤波和导向滤波方法的实际应用在上述各类滤波方法层析成像效果比对中，维纳滤波和导向滤波方法相结合更能真实反映矿区地质的实际情况。为了进一步验证该方法的一致性和有效性，特别针对 剖面进行巷道工程解释，如图 所示。对比研究发现，剖面数据经维纳滤波和导向滤波方法结合后，层析成像剖面的分辨率及连续性更为优质。通过追踪解释，可以看出层析成像对 号煤层（蓝色线条）顶、底板的标定和矿方巷道施工所实际揭露的煤层赋存状态几乎完全一致，误差小于。号煤层滤波后解释厚度与实际厚度对比见?图 网格 层析成像分析 对比?图 回风巷道勘探剖面（维纳滤波 导向滤波）（）?图 回风巷道勘探剖面（滤波后层位标定）（）?图 回风巷道勘探剖面（追踪解释）与矿区工程图对比 （）（下转第 页）第 期罗寿涛祁云望郑丽娟等自然电磁脉冲剖面成像滤波分析数据承载能力低下、地面与井下之间调度难、传统技术下井下人员 车辆位置信息获取难、井下无线传输网络的冗余连接问题，促进井下交通“从人工走向智能”的形态转换。（）通过井下 台 网络接口的多功能型基站，实现 无线信号覆盖、无线信号覆盖、精确定位信号和开放网络设备接入功能。（）该系统可实现产业赋能升级，节省运营成本，提升生产效率，推动煤炭行业高质量发展。参考文献：李小良，韩国庆，何莉 基于 的煤矿通信设备智能管控系统的研究 煤炭与化工，（）：，白苗 无线以太网技术在煤矿通讯系统中的应用 中国新通信，（）：边文宇 煤矿无线通讯新技术的应用 电子技术与软件工程，（）：卞子琪，黄莉莉 人工智能产业发展与资本布局 通信企业管理，（）：王艳芳，穆红涛 人工智能在计算机网络技术中的应用分析 技术与市场，（）：邹易奇 人工智能在计算机网络技术中的应用 科技与创新，（）：任峰 信息通讯技术在人工智能中的使用 长江信息通信，（）：，杨震，赵建军，黄勇军，等 基于网络演进的人工智能技术方向研究 电信科学，（）：李珂，武熙，孟庆灵，等 人工智能技术在煤矿中的应用 山西焦煤科技，（）：陈杰 煤矿人工智能视频分析系统架构体系及关键技术 煤矿安全，（）：焦东瑞 智能化综采工作面数据通讯技术的应用 山西焦煤科技，（）：姚炳军 煤矿通讯系统中应用无线以太网技术研究 通讯世界，（）：王运成 有线调度通讯系统在煤矿中的改造研究 煤炭技术，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）结论（）矿区内原始数据经 软件处理后，进而利用滤波技术处理，可以更加高效输出高质量信号图像，对比不同滤波方法，维纳滤波和导向滤波处理能够大幅度提高层析剖面的精度、连续性和分辨率。为以后层析成像剖面处理解释提供了参考。（）维纳滤波与导向滤波相结合，起到了增强层析剖面图像效果，但是在不同的数据采集环境与采集距离中，为了更好地体现地质构造，需要不断深化滤波方法的组合处理方式，以达到更好的效果。参考文献：庞振兴，中旦增，孙军 利用 软件对重力异常数据格网化方法的研究 河南测绘，（）：陈友淦，许肖梅 基于 的维纳滤波器仿真研究 中国新通信，（）：邓自立 卡尔曼滤波与维纳滤波 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，黄磊，吴顺君，张林让 基于多级维纳滤波器的信号子空间拟合算法 电子与信息学报，（）：李军侠，水鹏朗，郑勇 小波变换实现图像导向滤波 电子与信息学报，（）：沈学举，王永仲，李英华，等 非约束维纳滤波综合鉴别函数算法研究 光子学报，（）：北京恒信潜能地球物理技术有限公司 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