自然电磁脉冲剖面成像滤波分析

2023-09-18罗寿涛祁云望郑丽娟杨皓洁

陕西煤炭 2023年5期

罗寿涛,祁云望,郑丽娟,杨皓洁

(1.陕西陕煤韩城矿业有限公司,陕西渭南 715400;2.陕西浩兴坤达新能源科技有限公司,陕西西安 710000)

0 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0.2 s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。

1 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。

2 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。

2.1 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1、2所示。

图1 BE-HFXS剖面层析成像低通滤波分析

图2 BE-HFH剖面层析成像低通滤波分析

2.2 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3、4所示。

图3 BE-HFXS剖面层析成像高通滤波分析

图4 BE-HFH剖面层析成像高通滤波分析

2.3 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1942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。

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。

2.4 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G,输入图像P,输出图像Q。导向滤波的目标是使得输入P和输出Q尽可能相同,同时纹理部分和引导图G相似。为了满足输入P和输出Q尽可能相似,需要最小化平方差

min(Q-P)2

(1)

为了满足输出图像Q的纹理和引导图G的纹理相似,需要

Q=aG

(2)

积分得到

Q=aG+b

(3)

考虑一个小窗口Wk,在Wk内认为a,b保持不变,设为ak,bk。Wk内的像素满足

qi=akgi+bk,i∈Wk

(4)

把式(4)代入式(1),使窗口内的像素同时满足上面2个条件。

(5)

其中ε是一个惩罚大的ak的正则化参数。使(5)最小,满足

(6)

其中|W|是窗口Wk的像素总数。解得

(7)

(8)

(9)

(10)

计算出ak,bk后,就可以根据(4)来计算窗口Wk的输出像素。对于一个像素i,输出值qi和所有覆盖像素i的窗口Wk有关。所以当Wk不同,qi的值也不相同。一个简单的策略是平均所有可能的qi值。计算了所有覆盖i的窗口Wk的ak,bk,所有覆盖像素i的窗口Wk的个数为|W|,那么

(11)

(12)

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ε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(8)～(11)式计算导向滤波的参数,从而计算输出图像Q,如图5、6所示。

图5 BE-HFXS剖面层析成像维纳滤波+导向滤波分析

图6 BE-HFH剖面层析成像维纳滤波+导向滤波分析

导向滤波在像素点i的滤波结果可以表达为一个加权平均

qi=∑jWij(G)pj

(13)

式中,i,j为像素下标;滤波器核Wij为引导图G的函数并且与P独立。把(6)带入(8)消去b得到

(14)

求偏导

(15)

其中

(16)

当j处于窗口Wk时,否则为0。

(17)

把式(16)(17)带入式(15)得到

(18)

(19)

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FK滤波、双边滤波、局部平面波分解倾角滤波、F-X域SVD降秩分解滤波等。

3 层析成像效果研究

3.1 各类滤波方法对比分析

勘探任务主要包括对2号煤层、3号煤层、11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3 m,故层析成像剖面选取参数为3。

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7、8所示。

图7 BE-HFH网格3层析成像分析-对比图

图8 BE-HFXS网格3层析成像分析-对比

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。

3.2 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BE-HFH剖面进行巷道工程解释,如图9～11所示。

图9 回风巷道勘探剖面(维纳滤波+导向滤波)

图10 回风巷道勘探剖面(滤波后层位标定)

图11 回风巷道勘探剖面(追踪解释)与矿区工程图对比

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3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1 m。3号煤层滤波后解释厚度与实际厚度对比见表1。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。