摘要:针对目前井下坑透时干扰因素较多而导致接收场强噪声大的问题，提出一种新的接收场强滤波方法。探索了测线长度分类在提高坑透反演成图质量中的应用。首先将工作面内发射－接收距离相同射线的接收场强数据经过分类划为一组，然后利用小波分析方法对各组测线的接收场强进行降噪处理，经过降噪处理的数据用来进行坑透反演成图。理论仿真和实际数据分析表明:基于测线分类的滤波方法能在一定程度上改善坑透反演成图的质量，较好地突出异常区的位置，对坑透反演成像有一定的指导意义。
关键词:坑透;测线分类;反演成图
    无线电磁波坑透技术(坑透法)是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究、确定目标体位置、形态、大小及物性参数的一种物探方法。当前，坑透法与瞬变电磁法、电法等一起构成煤炭综采的高安全保障技术手段［1－4］。利用此技术，通过数据反演，可以方便地了解综采工作面的复杂地质构造，判断地质内的异常区域［5－10］。在综采数据反演成像过程中，接收端场强作为工作面异常体的间接表征，其数据质量对成像效果有着重要的影响。但是在实际工作中，由于周边环境和仪器本身的干扰，接收场强噪声很大［11］。针对这种情况，一些学者提出相应的去噪方法，总结出一些求取初始场强的方法［12－13］。这些方法通过多次接收求平均来消除仪器等造成的随机误差，但井下风管、水管、电缆、金属导体及动力设备所引起的轻微场强误差一般很难去除，从而在较大程度上影响坑透反演成图的质量。
    基于此，本文在有关学者已有工作的基础上，根据综采面测线分布特点和规律，提出一种新的接收场强滤波方式。由于一个综采面有很多条发射－接收点距离相同的测线，这些线并不全部经过异常点，一般情况下，只有很少的一部分经过异常点，而那些没经过异常点的测线场强值就代表了综采面的背景接收值，理论上这些值应该相同或相近。因此，可以把这些相同长度测线的场强值分为一组，将各组场强值进行滤波处理后，用滤波后的新值代替原接收场强值进行坑透反演。
1 坑透理论
    坑透法以无线电磁波发射为基础。根据电磁波传播理论，电磁波在均匀介质中的辐射场随距离呈一定的规律变化［12］。假设原点A在辐射源(天线轴)中心，在无限均匀、各向同性的介质中，观测点P到A点的距离为r(观测点在辐射场内，见图1)。在此条件下求解导电介质中的波动方程，即可求得P点的电磁场强度H。     式(1)中: H0为初始场强，取决于发射机功率及周围介质;β为煤层对电磁波能量的吸收系数; r为测点到辐射源原点的距离;sinθ为方向因子，θ是天线轴线与观测方向的夹角，一般取90°。其中，β又可以用以下公式表示:     式(2)中:ω为角频率;μ为导磁率;ε为介电常数;σ为导电率。当频率ω=2πf不变时，β= F(ε、μ、σ)，即β是ε、μ、σ的函数。当电磁波穿越不同电性的煤岩层时，μ差别不大。所以ε、σ的改变会引起β与H值的明显变化。
    当电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性(电阻率ρ和介电常数ε)不同，对电磁波能量的吸收不同，于是可根据这些不同结构的吸收参数来判断工作面内的异常区。低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗，使接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至接收不到透射信号，形成所谓的透射异常(又称阴影异常)，见图2。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释，这就是坑透法的基本原理。 为计算方便，实际应用中，式(1)又可以表示为 2 工作面测线分类
2.1 工作面测线分布
    无线电波透视观测一般在两巷道间进行，其中一巷道布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，接受点布置在另一巷道进行相应接收。为提高探测效率，目前普遍采用定点法方式［13］。发射机在一定的时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值，即定点发射多点等间距(扇形)接收。在实际情况下，综采工作面宽度大都在150m左右，长度为500m以上。测线采用扇形结构，各接收点的间距在10m左右，一般接收点为11m(图3) 。因此各测线长度差别不很大，即理论接收场强值相差很小。 2.2 工作区内测线分类
    在实际坑透过程中，由于一个工作面往往有多个相同的扇形测区，若每个测区都采用对称分布，则一个测区就有两条长度相同的测线。对于n个发射测点的综采工作面，就有2n个相同的测线。因此可把这2n 条相同测线的场强接收值化为一组进行信号处理。这样，整个工作面测线可分为m组相同长度的测线。对于每组测线，根据(1)，理论上它们的接收值应该相等，但实际上由于测试误差、现场干扰和异常区的影响，这些测线的值并不完全相等。考虑到这些测线的长度相同，因此可以对每组测线进行滤波处理。
2.3 小波滤波去噪
    在信号滤波的众多方法中，由于小波变换具有良好的时频局部化和多分辨率等特性，因此可很好地刻画信号边缘、尖峰、断点等非平稳特性，在去除噪声对信号影响的同时，还可以保留信号的突变位置和边缘信息，具有更好的滤波效果。所以，以小波变换为基础的滤波方法广泛用于各种信号处理过程［14－15］，其基本定义如下:
对任一函数 则它的连续小波变换为     其中: 为小波基函数;a为尺度因子;b为平移因子。
    由于每组接收场强的坑透数据具有非平稳特性，往往每组数据既有噪声数据，又有异常点的突变数据，因此较 适合于小波处理。小波降噪的一般处理过程为:①选择小波包进行小波正变换;②阈值处理;③小波反变换。
3 实验结果分析
3． 1 仿真分析
    为测试算法效果，本文根据式(3)建立均匀介质中的异常构造几何模型(如图4所示)，并取背景吸收系数为0.003db/m，异常区吸收系数为0.005db/m。3块异常区大小都是30m×20m，模型区域网格划分为100×20。     取初始场强为120db进行系统仿真。为反映实际测试环境，仿真后工作区内各接收场强值加入幅值为±0.5db的环境噪声，其场强曲线如图5所示。
从图5可以看出: 仿真工作面共有200m、200.25m、201.00m、202.24m、203.96m、206.16m6种测线，因此整个工作面测线被分为6组。各组测线和小波滤波后的场强值曲线如图6所示。     将原始场强值和滤波后的场强值分别代入式(3)进行工作面成图反演，迭代500次得到图7的反演成图。对比图4的仿真模型可以看出，滤波后的异常点2和4更加突出。 3.2 综采数据分析
    为测试实际算法效果，本文对某矿采集的数据进行分析。矿体综采面长度为1200m，宽度为185m。按照图3测线分布测得工作面的场强分布曲线如图8所示。     在本工作面测量中，共有185.00m、185.27m、186.08m、187.42m、189.28m、191.64m共6种测线。整个工作面测线被分为6组，各组测线和小波滤波后的场强值曲线如图9所示。     将滤波后的场强接收值代入式(3)，利用SIRT算法求解此方程组，迭代500次后得到工作面反演图如图10所示。从图10可看出，工作面共有4处异常区。对比图10(a)和(b)可知: 使用小波滤波后的反演成图中，异常区2、3、4的位置信息更为具体。现场实际回采发现，工作面内的4个异常区的位置与图10(b)成图结果较为接近。 4 结束语
    根据坑透工作面数据分布特点，提出了一种新的数据处理方法。该方法将工作面内长度相同的测线接收场强值归为一组，在此基础上对每组数据进行小波降噪处理。滤波后的数据被用来进行坑透反演成图。理论和实践证明:将测线进行归类滤波可在一定程度上压制环境背景噪声，提高反演成图的清晰度和分辨率，从而与实际更为接近，对现场应用和进一步的算法研究具有一定的指导意义。
参考文献:
［1］ 宁书年，张绍红． 无线电波层析成像技术及在矿井坑透中的应用［J］．煤炭学报，2001，26(5):468－472．
［2］ 郭文波，李貅，薛国强，等．瞬变电磁快速成像解释系统研究［J］．地球物理学报，2005，48(6):1400－1405．
［3］ 刘树才，刘鑫明，姜志海，等．煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究［J］．岩石力学与工程学报，2009，28(2):348－356．
［4］ 韩连生，范广海，贾建军，等．地震映像法在铁矿隐伏空区探测中的应用研究［J］．工程地球物理学报，2012，9(4):469－472．
［5］ 汤友谊，陈江峰，彭立世．无线电波坑道透视构造煤的研究［J］．煤炭学报，2002，27(3):254－258．
［6］ 刘焕新，王利宏，刘树才．坑透高精度CT 层析成像测量方法试验研究［J］．山东煤炭科技，2010，(1):103－105．
［7］ 刘加利．坑透技术在复杂地质条件下的应用［J］．河北煤炭，2005，(4):39－40．
［8］ 孙四清，汤友谊，陈江峰．工作面坑透资料在瓦斯地质预测中应用的研究［J］．煤矿安全，2005，36(5):1－3．
［9］ 王均双，薄夫利，马冲．坑透CT 成像技术在工作面地质构造探测中的应用［J］．煤炭科学技术，2008，36(10):93－96．
［10］ 侯恩科，郝珠成．坑透层析成像技术在金矿定位预测中的应用［J］．地质与勘探，2001，37(4):43－45．
［11］ 冀学宏．论影响无线电波坑透的干扰因素及排除方法［J］．西山科技，2001，6:18－22．
［12］ 吴燕清．地下电磁波探测及应用研究［D］． 长沙: 中南大学，2002．
［13］ 肖玉林．煤矿综采工作面无线电波透视技术研究［D］．淮南:安徽理工大学，2010．
［14］ 蔡强富，陈鹏，李固，等．电磁超声回波信号的改进阈值函数降噪法研究［J］．国外电子测量技术，2011，30(12):48－51．
［15］ 李越囡，孙迎．听觉诱发电位信号的小波消噪方法研究［J］．仪器仪表学报，2010，31(3):54－545．
摘自;《重庆理工大学学报（自然科学）》2014年第28卷第3期