自然电磁脉冲剖面成像滤波分析.pdf
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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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、
7、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
8、,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
9、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
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