三维成像虚拟技术在矿山地质信息采集中的应用

沈 洋

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213000）

随着各项技术的融合发展，三维成像虚拟技术已经广泛应用到城市规划、军事演练、虚拟旅游、娱乐仿真等领域中，通过三维成像处理，实现对复杂、危险、机密或者不稳定区域、场景以及地点的三维场景再现，为其他领域的数据采集工作，提供更有价值的参考方向。而矿山中富含丰富的煤炭以及金属资源，一个富矿可以为社会发展，提供绝对的资源支持[1]。但由于各个地区的地质条件不一，气候类型、水文类型、环境风貌等自然环境差异性较大，因此矿山开采之前的地质信息采集工作，是十分困难的，危险复杂的地势地貌，给矿山勘探工作带来了巨大的工作难度，因此为了确保矿山地质信息采集数据的准确性、提升数据采集效率、保证矿山施工安全，研究三维成像虚拟技术，在矿山地质信息采集中的应用[2]。已知目前的矿山类型中，贫矿多、富矿少、埋藏深、地理条件不佳，因此采集地质信息十分困难，而三维成像虚拟技术，通过摄像头可以远程采集基本画面，并根据各项基本参数，自动生成三维实景，工作人员可以根据三维效果，分析矿山地质状态，以此制定符合开采要求的开采流程，为保护施工安全和人员安全，提供更可靠的技术支持；为国家的探采结合方式，提供了一项更好的支持技术。因此以三维成像虚拟技术的特点为研究依据，分析该技术在矿山地质信息采集中的应用方法。

1 选择矿山地质信息采集设备

矿山地质信息采集的过程中，首先需要根据矿山的情况、检测要求等因素选择合适类型、尺寸和频率的探头。探头类型分为非聚焦探头和聚焦探头。将三个Φ3mm的人工平底孔，均匀的分布在厚度为28mm的锻件试块上，其孔轴线与所在的试块夹角呈现出70°、80°和90°，试块的斜角分别为20°、10°、0°，所钻孔的深度为5mm。利用2.5MHz的聚焦探头与非聚焦探头来对试块进行垂直探伤，利用这种方法进行进准探测，调整两种探头所安装距离，从而使得相同水层距离、范围以及增益条件参数。在各种参数不变的情况下，依次检测倾斜角为10°和20°的平底孔，将所对应的波高进行实时记录。根据两种探头的检测数据对比，并已知非聚焦探头所回波所在高度数据为0，但是这时探头是无法检测到斜角为20°的人工平底孔缺陷，但在聚焦头的声能相对较为集中时，斜角为20°的时，仍能有较高的回波高度，经计算，其回波高度71%。实验结果表明，当平底孔的倾斜角度增加时，尽管聚焦探针的回波高度减小，但速度低于未聚焦探针的回波高度。实际上，由于常常不能检测出缺陷的方向，因此可以使用聚焦传感器来减少缺陷的取向对检查结果的影响。

然后分别用非聚焦探头和聚焦探头，扫查同一个内部有缺陷的试样，采用相同参数，即扫描范围、扫描间距、水层厚度等条件相同。受到焦柱的影响，聚焦探头灵敏度区域受到限制，一次扫描不能覆盖深度方向上的所有缺陷，因此必须调整与水层的距离，并用不同焦距替换探针以扫描所有缺陷。为了检测不同深度的缺陷，应使用不同焦距的聚焦探头。但是，非聚焦探头具有较宽的传播角度和较大的扫描区域，可以检测大多数缺陷。因此，非聚焦的探针和聚焦的探针具有通过浸入水中进行检测的优点：非聚焦的探针具有大的扫描面积；聚焦探头具有集中的声能，并且对缺陷的方向不敏感。在矿山地质信息采集时，由于空间大、各种因素的不确定等原因，可先用非聚焦探头“初探”，再用聚焦探头“复探”[4]。

探针尺寸是指压电探针板的尺寸。 更大的板尺寸意味着入射的超声能量会更高，并且声束将具有良好的方向性。但是对于聚焦探头，随着板尺寸的增加，探头焦柱的长度会变短，根据公式( 1 )可验证，这对缺陷检测不利，所以选择适合的晶片尺寸对矿山地质信息采集尤为重要。因此依靠下列计算公式，为矿山地质信息采集，选择适合的晶片尺寸：

公式（1）中：L表示焦柱长度；F表示水中焦距；D表示晶片直径；λ表示波长。探头频率影响三维成像过程中，声波绕射和衰减。在一定的条件下，声波传播时，会绕过障碍物或通过小孔后扩展传播，传播距离越远，介质中超声波能量会越弱。探头频率越高，能检测到的缺陷越小，频率越高，衰减越大，声能的损失也越大，这对于检测是不利的[5]。因此，应根据测试需要选择合适频率的探头，确保能检测到要求的最小缺陷，且衰减较小。该检验结果据公式(2)可验证：

公式中：1P表示晶片的起始声压；P表示声束轴线上距晶片X处的声压；D表示晶片直径；λ表示介质中声波的波长；X表示超声波传播距离。α为衰减系数，散射衰减1α和吸收衰减α2之和为衰减系数，其中：

公式中：f表示声波频率；1C表示材料吸收系数；C2、3C为散射系数；F表示材料各项异性因素；d表示晶粒直径[6]。在上述计算过程中，选择了聚焦探针。 当样品较厚时，焦点柱更靠近检测表面，并且在采矿地质中，声波路径较大时会出现更多缺陷。因此，有必要选择焦距长，低频，芯片直径小的探针。

2 布置三维成像模型正演测线设计矿山成像模型

已知最接近实际情况要求下，可以采用回线源激发瞬变场，由此布置三维时域，通过有限差分正演，取得正演数据。设置电磁回线发射框为150m×150m，回线发射框内间隔相同的距离设置测线，发射电流为1A，每条测线上的30个测点，形成三维成像模型正演测线。以实际矿山真实地层为基础，在完成MIMO雷达成像的过程中，由于干扰特性，波形设计和时空自适应处理，发射波形的自相关和互相关会对雷达产生严重影响。 但是，常规的雷达杂波抑制是2D协同处理，需要补偿与距离相关的杂波，并且图像质量受目标的轨迹和方向限制，无法有效实现MIMO雷达成像。所以我们利用基于三维虚拟现实的MIMO雷达成像技术，设计分析矿山成像模型[7]。

假设MIMO雷达发射接收阵列均为线阵，同时成直线沿X轴排布，如果目标大小远远超过雷达信号的波长，采用匹配滤波器，对去载频回波信号进行波形解相关滤波的处理方法。在高频发射的过程中，含有许多个散射中心的目标，将其分成若干信号以实现杂波抑制，也就是MIMO雷达捕捉的一维距离像，实现MIMO雷达三维自适应处理，完成回波运动的补偿，目标近似可以通过点散射模型来描述。 通常，弱的散射中心回波对图像影响很小。然后有必要抑制来自雷达的干扰并消除平移干扰，以使回波能够满足本次开发模型的要求。最后，MIMO雷达三维成像技术应用下，根据单次快拍成像的距离向分辨率，获取相位的二维Fourier转换，在两个方向的方位分辨率，在Fourier的X轴方向变换分析过程中，X轴数值大于等于的数据即可分辨。完成杂波抑制后，对于所有距离单元，均沿XOY平面进行二维Fourier转换，获取目标的“距离－X方位－Y方位”三维立体像，将其映射至XOY平面、YOZ平面以及XOZ平面中，即可获取目标成像的三维成像模型，实现MIMO雷达成像[8]。

3 基于虚拟技术实现三维成像

模型建立完成，根据三维彩色全息理论，利用傅里叶光学原理，基于虚拟技术实现三维成像。从光的传播角度分析，首先需要将若干幅图形，分成相同大小的子图形，而由于子图形较小，光从物体到记录面的菲涅耳衍射，在经过较长的传播距离后，菲涅耳衍射光场可以转化成夫琅禾费光场，因此通过分区域分幅的方式，利用傅里叶光学手段，利用远场变换每个子图形，获得夫琅禾费光场分布。按视角列出所有对应子图形的夫琅禾费分布，再采用SLM输入这种按不同视角排列的夫琅禾费光场分布。由于傅立叶变换在光学系统的焦平面中具有平移不变性，因此使用其并行处理的特性来获得镜头前焦平面上各个位置的弗劳恩霍夫光场分布的特性。 薄片的变换同时在透镜的后焦平面上提供了从不同角度的图像再现[9]。然后在透镜后焦面上，引入参考光进行干涉记录，实现多视角图像的干涉记录。因为数据量巨大，所以采用分解、拼接制作的解决方法。具体操作过程如下：

用计算机虚拟的三维图像处理，获取3D对象的透视数字图像。然后对上面的图像进行分色分割，依次拍摄每个分量图像的第一张图像，并使用傅立叶迭代算法获得辅助图像的弗劳恩霍夫衍射光场分布。在白光照射时，不同波长光的狭缝像的位置不同，通过迭代算法提取具有台阶的位相信息，并将灰色图像编码，将灰度图像排成一列，此时会在不同的狭缝像位置，看到不同的三维影像，即可以形成其中一组狭缝形成子图，图像分割必须保证每个子图的大小、像素均相同。按照上述相同步骤，重复上述操作过程，分别进行编码以便获得其他的狭缝。利用空间光调制器，同时显示所获得的所有狭缝。照射空间光调制器，需要采用扩束的平行激光，将空间光调制器放在傅立叶变换透镜的前焦平面上，通过傅立叶变换透镜进行逆变换，将全息干板放在透镜的后焦平面上，注入参考光并干扰物体的光波，在不同视角的n个弗朗与夫光场分布，形成出n个按视角方位重叠的分区子图像，把这n个包含了颜色和视角信息的子图全息图，全部记录下来。重复上述过程，所有子图全部记录完毕，并制作完成三维成像[10]。至此通过上述三个步骤的研究与操作，实现在矿山地质信息采集中，三维成像虚拟技术的应用。

4 结束语

三维成像虚拟技术经过多年的研究与优化，取得了不错的成果。此次研究通过应用该技术，将矿山地质信息采集工作的准确性、严谨性，又提升了一个新高度。但三维成像虚拟技术在数据采集应用过程中，还有一定的问题，因此在今后的研究工作中，可以在波场反变换时，离散化积分方程，通过大量的离散节点，增强求和结果与积分结果之间的相似程度，为数据采集提供更加精准的控制技术。