矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法与流程

1.本发明涉及矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，尤其涉及一种矿用无线电成像勘探成像中的折射和投射双图像配准问题解决的方法，属于矿井工程物探技术领域。


背景技术：

2.传统电磁波技术识别煤岩依靠的是采用折射波回波计算的方式收集煤层岩层的多层数据，根据发射天线和回收单元，回收数据，处理，在巷道中采用折射波计算的方式采用多发多收的方式进行计算煤层厚度，并通过多种处理数据如fdtd方式处理矩阵，得到煤岩识别。
3.在同一发射点位如果同时收集折射与折射波，即可以有效减少多发多收数据处理难点，也可以相应提高一定单发单收数据不准的难点。矿山电磁波传播信道是由电磁参数不同的多层地层构成的，因此电磁波在其中传播会受到这些电磁参数的影响，而媒质的这些电磁参数又会随着环境条件的改变而变化。比如说，岩石层的湿度、温度、孔隙率等的变化会改变地层的电导率，从而影响到电磁波在地层中传播受到的衰减情况。
4.发射信号由空气中入射到从地层中或者通过不同媒质地层的分界面时都会产生折射和反射信号，这些信号中的一部分会通过不同的路径，经过不同的时间后到达接收端，这就使得接收端天线接收到的信号是由多种信号叠加而成的，也就会产生接收信号随着收发时间和收发位置的变化而改变的现象。由此可以看出，研究电磁波在大地地层中的传播情况是个十分复杂的问题。下面将通过描述电磁波的场源关系的麦克斯韦方程组及其边界条件等电磁波传播的理论基础对上述问题进行。
5.基于煤岩分层的成像方法研究，绝大多数学者是从折射或者反射其中一种方式研究成像即从坑透或者矿井无线电磁波勘探一种考虑，只有极少数的学者和专家研究坑透和传统矿井无线电磁波混合成像的方式，从两种角度进行分析，提出了整套电磁能量回波的确定和双向成像的方式，从而，本文将从矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方向出发并尝试建立一种新型矿井无线电磁波混合煤岩地质灾害识别及图像重构方法。


技术实现要素：

6.本发明提供了矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，以用于解决传统矿井无线电磁波勘探通过单一侧面的坑透和反射如果是大面积的精细化成像容易导致成像工作无法开展的问题。
7.本发明的技术方案是：矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，所述方法的具体步骤如下：
8.step1、基于麦克斯韦方程求解得出电磁波在有耗媒质中的传播过程中的相位衰
减系数，振幅衰减系数；再求出三层煤岩介质模型反射系数和折射系数；
9.step2、根据煤岩模型反射系数和折射系数，求解得出三层煤岩介质模型，再根据相位衰减系数，振幅衰减系数计算得出第二层介质和第三层介质交界面处的反射波强度、折射波强度，根据反射波强度、折射波强度分别得到反射波图像和折射波图像；
10.step3、对反射波图像和折射波图像进行图像灰度化、降噪、融合，从而将反射波图像和折射波图像融合。
11.作为本发明的进一步方案，所述step1包括：
12.在经典的麦克斯韦方程的基础上，将麦克斯韦方程进行求旋，并带入亥姆霍兹方程求解得到电磁波的相位衰减系数a，振幅衰减系数b；其中衰减系数具体表达式如下：
[0013][0014]
其中：ω为电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率；
[0015]
基于电磁波原理与菲涅耳公式求解反射、折射瞬间的电矢量：跟据三层煤岩介质模型与菲涅耳公式求解夹层状态下折射系数和反射系数，具体反射系数和折射系数如下；
[0016]
其中：η1，η2为介质层数，θi，θ
t
，分别是反射角和入射角。
[0017]
作为本发明的进一步方案，所述step2中，第二层介质和第三层介质交界面处的反射波强度r2、折射波强度r3分别为：
[0018][0019][0020]
其中：g为矿井无线电磁波系统中天线增益，λ为自由空间波长，p
t
为天线的发射功率，l0项为l0/cosθ0+l0/cosβ0，l1项为l1/cosθ1+l1/cosβ1，l2项为l2/cosθ2+l2/cosβ2，l0、l1、l2分别为电磁波在第零层、第一层、第二层的折射路径，l0、l1、l2分别为第零层、第一层、第二层的垂直厚度；第零层为空气层、第一层为岩石层、第二层为煤层；其中，θ0为第零层反射角、θ1为第一层反射角、θ2为第二层反射角，β0为第零层折射角、β1为第一层折射角、β2为第二层折射角，t
0,1
为电磁波从第零层进入第一层介质的折射系数，t
1,2
为第一层介质和第二层介质交界面的折射系数，τ
1,2
为第一层折射到第二层反射系数，τ
0,1
为第零层折射到第一层反射系数，τ
2，1
为第二层折射到第一层反射系数，τ
1，0
为第一层折射到第零层反射系数，ω为电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率。
[0021]
作为本发明的进一步方案，所述step2包括：
[0022]
设矿井无线电磁波系统的天线增益为g，天线有效孔径为a＝gλ2/4π，λ为自由空间
波长，天线的发射功率为p
t
，且矿井无线电磁波勘探中第零层垂直厚度l0，则入射点的电磁波能量为p0；
[0023]
若垂直入射，电磁波依旧将发生反射与折射，第零层折射到第一层反射系数为τ
0,1
并且认为其反射是由第零层和第一层也即是空气层和岩石层的电介性质，磁导率差异引起的，则计算出矿井无线电磁波接受天线反射波能量为：
[0024][0025]
折射波将在第一层中继续传播距离l1后达到煤层和岩层的分界面，第一层折射到第零层反射系数为τ
1,0
，煤层的衰减系数为a，则计算出煤岩界面处的电磁波能量为：
[0026][0027]
若定义第一层折射到第二层反射系数为τ
1,2
，则计算出煤岩界面反射回来的电磁波能量为：
[0028][0029]
其中，项为天线辐射特性，为煤层的衰减项，(1-τ
0,1
)2τ
1,2
为界面的衰减项；
[0030]
若倾斜入射发射并在空气层和第一层介质界面发生反射与投射，第零层反射角为θ0，第零层折射角为β1，其反射波r0被天线接收，折射波t1在第一层介质中传播并在第一层介质与第二层介质的界面处发生反射与折射，第一层反射角为θ1，第二层折射角β2，其反射波r
2n+1
能被矿井无线电磁波透视仪所接收到，那么就可以根据电磁波在复杂煤层中的走时计算出煤层厚度：
[0031][0032]
上式中，vi为电磁波在第i层介质中的传播速度，ti为电磁波在i层介质中的双程走时；
[0033]
根据电磁波走时强度计算强度为：
[0034][0035]
矿井无线电磁波透视仪接收到的空气层和第一层介质交界面返回的电磁波强度为：
[0036]
[0037]
假设天线与第n层介质和n+1层介质交界面之间的距离近似为电磁波在前n层介质中行进的距离，则计算出第1层介质与第2层介质交界面处的电磁波能量为：
[0038][0039]
当介质层之间的分界面不互相平行时，按逆时针方向定义n层介质和n+1层介质之间的夹角为γn则根据菲涅尔公式计算出从煤岩界面返回的电磁波在n+1层介质和n层介质分界面的折射角为βn＝arcsin(v
n+1
/vnsinθ
n+1
)，因此，电磁天线所接收到的第0层介质与第2层介质交界面反射回的电磁波强度为：
[0040][0041]
同理求出矿井无线电磁波透视仪接收到的第一层介质和第二层介质交界面处反射波的强度为：
[0042][0043]
同理得折射波强度为：
[0044][0045]
l0项为l0/cosθ0+l0/cosβ0，l1项为l1/cosθ1+l1/cosβ1，l2项为l2/cosθ2+l2/cosβ2；
[0046]
由于在折射系数和反射系数是由于在煤岩层中的电介系数和电导率、磁导率差异性引起的，电磁波进入介质层导致折射波小于入射波，因此在煤岩层同厚度的条件下折射波必定会被矿井无线电磁波透视仪接收到其条件如下：
[0047]
其中：l0、l1、l2分别为电磁波在第零层、第一层、第二层的折射路径，l0、l1、l2分别为第零层、第一层、第二层的垂直厚度；第零层为空气层、第一层为岩石层、第二层为煤层；其中，θ0为第零层反射角、θ1为第一层反射角、θ2为第二层反射角，β0为第零层折射角、β1为第一层折射角、β2为第二层折射角，t
0,1
为电磁波从第零层进入第一层介质的折射系数，t
1,2
为第一层介质和第二层介质交界面的折射系数，τ
1,2
为第一层折射到第二层反射系数，τ
0,1
为第零层折射到第一层反射系数，τ
2，1
为第二层折射到第一层反射系数，τ
1，0
为第一层折射到第零层反射系数，ω为电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率。
[0048]
进一步地，所述step3中，对反射波图像和折射波图像进行图像灰度化、降噪、融合的过程包括：
[0049]
step3.1、图像灰度化、降噪：设图像中任意一点的像素点(i,j)的强度为f(i,j)，则该像素8领域灰度对像素该像素的均值m(i,j)如下：
[0050][0051]
step3.2、图像融合：根据像素点的矩m(i,j)然后在进行归一化互相关系系数匹配，根据像素点的矩m(i,j)然后在进行归一化互相关系系数匹配，基于归一化互相关系数的原始定义为：
[0052][0053]
其中：
[0054][0055][0056]
式中，(u,v)为相对于参考参考图的坐标值，x
i,j
,y
i+u,j+v
分别为折射图和反射图的原始数据，为折射图和参考图的像素平均值；
[0057]
重叠区域中像素点(x,y)的灰度值为f(x,y)。折射图对应的该点的像素点的灰度值为f1(x,y)，反射图对应该点的像素点灰度值为f2(x,y)则：
[0058]
f(x,y)＝d
·
f1(x,y)+d2f2(x,y)在该式中，d1、d2称为渐变因子，即组成混合点的强度，d1、d2均为(0,1)之间且满足：d1+d2＝1。
[0059]
本发明的有益效果是：本发明首先基于麦克斯韦方程求解得出电磁波在有耗媒质中的传播过程中的相位衰减系数，振幅衰减系数；再求三层煤岩介质模型反射系数和折射系数；根据煤岩模型反射系数和折射系数，求解三层煤岩介质模型，再根据相位衰减系数，振幅衰减系数计算出第二层介质和第三层介质交界面处的反射波强度、折射波强度，根据反射波强度、折射波强度分别得到反射波图像和折射波图像；对反射波图像和折射波图像进行图像灰度化、降噪、融合，从而将反射波图像和折射波图像融合。本发明通过改善原始瞬变电磁发成像与构造方式，使得煤岩图像识别的实时性得到更好的改善。
附图说明
[0060]
图1实例性地示出了本发明的实施例一提供的一种麦克斯韦方程求解衰减系数的流程图；
[0061]
图2实例性地示出了本发明的实施例一提供的一种双图像融合配准方法的流程图；
[0062]
图3实例性地示出了本发明的实施例一提供的一种矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法流程图；
[0063]
图4实例性地示出了本发明的实施例电磁波传播方式。
具体实施方式
[0064]
以下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0065]
在煤岩图像识别方面，对于基于煤岩分层的成像方法研究，只有极少数的学者和专家研究坑透和传统矿井无线电磁波透视仪混合成像的方式；
[0066]
在煤岩分层界面识别方面，图像成像速度和成像质量是重要指标；通常煤岩识别迭代次数越高越精细，浪费时间越长。
[0067]
传统矿井无线电磁波勘探是通过单一侧面的坑透和反射如果是大面积的精细化成像容易导致成像工作无法开展。
[0068]
为了解决上述问题，本发明的实施例提供了矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，构建了矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法。
[0069]
首先结合附图，对本发明的实施例进行说明。
[0070]
如图1，本发明实施提供了一种矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，所述构建方法的具体步骤如下：
[0071]
本发明要解决的技术问题是：本发明提供矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，构建了新的一种矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法。
[0072]
本发明技术方案是：一种矿井无线电磁波混合煤岩勘探的折射与反射图像融合成像方法，所述构建方法的具体步骤如下：
[0073]
step1、基于麦克斯韦方程求解得出电磁波在有耗媒质中的传播过程中的相位衰减系数，振幅衰减系数；再求出三层煤岩介质模型反射系数和折射系数；
[0074]
进一步，基于麦克斯韦方程求解衰减系数：构建经典maxwell方程如下：其中分别表示电场和磁场的强度及方向，为通电电流密度(c/m2)，为单位面积上的磁通量(wb/m2)，ρ为单位体积内可自由移动的自由电荷量(c/m3)。
[0075]
电磁波在有耗介质中的传播j＝σe，b＝μh，d＝εe。其中ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率。
[0076]
在导电介质中存在如下式子：
[0077][0078]
将在有耗媒介传播公式带入maxwell方程中的高斯定律和高斯磁定律改变为如下式：
[0079][0080][0081]
对上两式一式求旋度，将二式带入一式，同种方法将一式带入二式得到如下式子：
[0082][0083][0084]
根据经典场量乘积的旋度f的旋度场的旋度场如下式表达：
[0085][0086]
和
[0087][0088]
对电场和磁场旋度式进行旋度变化；
[0089][0090][0091]
根据经典电磁场的波数表达形式h＝h0e
iωt
，e＝e0e
iωt
，其中ω为角频率，令k2＝μεω2+iμσω；k为电磁场的传播系数。
[0092]
将上述两式带入maxwell方程得到亥姆霍兹方程
[0093][0094]
同时进行代数变化k＝a+ib；k2＝a2+2abi-b2；求解谐变场衰减，根据系数对应原则得到：a
2-b2＝μεω2，2ab＝-μεω，将两式求解，得到电磁波相位衰减系数a，振幅衰减系数b。
[0095][0096][0097]
其中：ω为电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率；
[0098]
基于电磁波原理与菲涅耳公式求解反射、折射瞬间的电矢量：跟据三层介质夹层模型与菲涅耳公式求解夹层状态下折射系数和反射系数，具体反射系数和投射系数如下：
[0099][0100][0101]
其中：η1，η2为介质层数，θi，θ
t
，分别是反射角和入射角。
[0102]
step2、根据煤岩模型反射系数和折射系数，求解得出三层煤岩介质模型，再根据相位衰减系数，振幅衰减系数计算得出第二层介质和第三层介质交界面处的反射波强度、折射波强度，根据反射波强度、折射波强度分别得到反射波图像和折射波图像；
[0103]
基于矿井无线电磁波勘探基本原理设计三层煤岩介质模型：矿井无线电磁波透视仪gpr的发射天线向煤岩界面发射电磁波，由于地下介质之间存在电性差异，会导致反射波存在一定的差异，当天线获取到介质反射回来的电磁波后，可以根据电磁波图的波形和回波时间来对地下目标体的位置等特征信息进行解释，从而推断出介质面的形态、构造和埋藏深度等信息。
[0104]
其中煤岩分层深度可以根据电磁波的双程走时和电磁波在介质中传播的速度计算得出，其中双程走时可以表示为：
[0105][0106]
上式中，h表示目标体的埋深度，单位为m，x为收发天线之间的距离,单位为m，t是电磁波的双程走时，单位为ns，v是电磁波在地下介质的传播速度，单位为m/ns。如果地面的收发天线沿测距线等间距移动时，矿井无线电磁波透视仪会记录下目标体反射回的一道波形数据，将这些数据进行处理后，就可以获取由目标体反射回来的电磁波形图。
[0107]
作为本发明的进一步方案，所述step2中，第二层介质和第三层介质交界面处的反射波强度r2、折射波强度r3分别为：
[0108][0109][0110]
其中：g为矿井无线电磁波系统中天线增益，λ为自由空间波长，p
t
为天线的发射功率，l0项为l0/cosθ0+l0/cosβ0，l1项为l1/cosθ1+l1/cosβ1，l2项为l2/cosθ2+l2/cosβ2，l0、l1、l2分别为电磁波在第零层、第一层、第二层的折射路径，l0、l1、l2分别为第零层、第一层、第二层的垂直厚度；第零层为空气层、第一层为岩石层、第二层为煤层；其中，θ0为第零层反射角、θ1为第一层反射角、θ2为第二层反射角，β0为第零层折射角、β1为第一层折射角、β2为第二层折射角，t
0,1
为电磁波从第零层进入第一层介质的折射系数，t
1,2
为第一层介质和第二层介质交界面的折射系数，τ
1,2
为第一层折射到第二层反射系数，τ
0,1
为第零层折射到第一层反射系数，τ
2，1
为第二层折射到第一层反射系数，τ
1，0
为第一层折射到第零层反射系数，ω为
电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率。
[0111]
作为本发明的进一步方案，所述step2包括：
[0112]
设矿井无线电磁波系统的天线增益为g，天线有效孔径为a＝gλ2/4π，λ为自由空间波长，天线的发射功率为p
t
，且矿井无线电磁波勘探中第零层垂直厚度l0，则入射点的电磁波能量为p0；
[0113]
若垂直入射，电磁波依旧将发生反射与折射，第零层折射到第一层反射系数为τ
0,1
并且认为其反射是由第零层和第一层也即是空气层和岩石层的电介性质，磁导率差异引起的，则计算出矿井无线电磁波接受天线反射波能量为：
[0114][0115]
折射波将在第一层中继续传播距离l1后达到煤层和岩层的分界面，第一层折射到第零层反射系数为τ
1,0
，煤层的衰减系数为a，则计算出煤岩界面处的电磁波能量为：
[0116][0117]
若定义第一层折射到第二层反射系数为τ
1,2
，则计算出煤岩界面反射回来的电磁波能量为：
[0118][0119]
其中，项为天线辐射特性，为煤层的衰减项，(1-τ
0,1
)2τ
1,2
为界面的衰减项；
[0120]
若倾斜入射发射并在空气层和第一层介质界面发生反射与投射，第零层反射角为θ0，第零层折射角为β1，其反射波r0被天线接收，折射波t1在第一层介质中传播并在第一层介质与第二层介质的界面处发生反射与折射，第一层反射角为θ1，第二层折射角β2，其反射波r
2n+1
能被矿井无线电磁波透视仪所接收到，那么就可以根据电磁波在复杂煤层中的走时计算出煤层厚度：
[0121][0122]
上式中，vi为电磁波在第i层介质中的传播速度，ti为电磁波在i层介质中的双程走时；
[0123]
根据电磁波走时强度计算强度为：
[0124][0125]
矿井无线电磁波透视仪接收到的空气层和第一层介质交界面返回的电磁波强度为：
[0126][0127]
假设天线与第n层介质和n+1层介质交界面之间的距离近似为电磁波在前n层介质中行进的距离，则计算出第1层介质与第2层介质交界面处的电磁波能量为：
[0128][0129]
当介质层之间的分界面不互相平行时，按逆时针方向定义n层介质和n+1层介质之间的夹角为γn则根据菲涅尔公式计算出从煤岩界面返回的电磁波在n+1层介质和n层介质分界面的折射角为βn＝arcsin(v
n+1
/vnsinθ
n+1
)，因此，电磁天线所接收到的第0层介质与第2层介质交界面反射回的电磁波强度为：
[0130][0131]
同理求出矿井无线电磁波透视仪接收到的第一层介质和第二层介质交界面处反射波的强度为：
[0132][0133]
同理得折射波强度为：
[0134][0135]
l0项为l0/cosθ0+l0/cosβ0，l1项为l1/cosθ1+l1/cosβ1，l2项为l2/cosθ2+l2/cosβ2；
[0136]
由于在折射系数和反射系数是由于在煤岩层中的电介系数和电导率、磁导率差异性引起的，电磁波进入介质层导致折射波小于入射波，因此在煤岩层同厚度的条件下折射波必定会被矿井无线电磁波透视仪接收到其条件如下：
[0137]
其中：l0、l1、l2分别为电磁波在第零层、第一层、第二层的折射路径，l0、l1、l2分别为第零层、第一层、第二层的垂直厚度；第零层为空气层、第一层为岩石层、第二层为煤层；其中，θ0为第零层反射角、θ1为第一层反射角、θ2为第二层反射角，β0为第零层折射角、β1为第一层折射角、β2为第二层折射角，t
0,1
为电磁波从第零层进入第一层介质的折射系数，t
1,2
为第一层介质和第二层介质交界面的折射系数，τ
1,2
为第一层折射到第二层反射系数，τ
0,1
为第零层折射到第一层反射系数，τ
2，1
为第二层折射到第一层反射系数，τ
1，0
为第一层折射到第零层反射系数，ω为电磁波的角频率，ε，μ，σ，分别是媒质的介电常数，媒质的磁导率，媒质的电导率。
[0138]
step3、对反射波图像和折射波图像进行图像灰度化、降噪、融合，从而将反射波图
像和折射波图像融合。
[0139]
所述step3中，对反射波图像和折射波图像进行图像灰度化、降噪、融合的过程包括：
[0140]
step3.1、图像灰度化、降噪：设图像中任意一点的像素点(i,j)的强度为f(i,j)，则该像素8领域灰度对像素该像素的均值m(i,j)如下：
[0141][0142]
step3.2、图像融合：根据像素点的矩m(i,j)然后在进行归一化互相关系系数匹配，根据像素点的矩m(i,j)然后在进行归一化互相关系系数匹配，基于归一化互相关系数的原始定义为：
[0143][0144]
其中：
[0145][0146][0147]
式中，(u,v)为相对于参考参考图的坐标值，x
i,j
,y
i+u,j+v
分别为折射图和反射图的原始数据，为折射图和参考图的像素平均值；
[0148]
重叠区域中像素点(x,y)的灰度值为f(x,y)。折射图对应的该点的像素点的灰度值为f1(x,y)，反射图对应该点的像素点灰度值为f2(x,y)则：
[0149]
f(x,y)＝d
·
f1(x,y)+d2f2(x,y)在该式中，d1、d2称为渐变因子，即组成混合点的强度，d1、d2均为(0,1)之间且满足：d1+d2＝1。
[0150]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。