一种煤层工作面透视电磁波双频场强值梯度融合处理方法

本发明涉及电磁波透视探查领域，具体是一种煤层工作面透视电磁波双频场强值梯度融合处理方法。

背景技术：

1、随着矿山智能化开采的普及，工作面智能化精准开采会逐渐成为煤炭行业发展的主流。由于不少煤层的赋存条件复杂、煤炭开采难度大等因素使得智能化精准开采存在着巨大的挑战。为了能够实现工作面智能化精准开采，需要对工作面内的地质构造赋存情况进行精准的探查。目前，煤层工作面广泛采用的物探技术有槽波透视法、电磁波透视法以及直流电阻率法等，对比其他技术而言，电磁波透视法具有非接触、仪器轻便、探查人员少、数据采集快和探查效果显著等优点。

2、由于煤岩层对不同频率的电磁波能量吸收系数不同、波长不同、能量传播方式不同，通过采用发射点激发高低双频率进行电磁波透视探测，这样在同一接收位置会接收的两个频率场强值，且两者会出现不同的响应特征，能够多信息反映地质异常区的赋存情况，实现对地质异常区的精细探测。因此电磁波透视探查从单一频率探测发展为多种频率探测，但是目前多频率电磁波透视技术仍然是沿用了单一频率的数据解释方法，即虽然接收点接收两种不同频率的电磁波数据，但是后续处理时还是相同频率的数据分别进行解释成像，最后两者成像对比进行地质异常分析，这种方法仅能生成两个独立的成像，并没有充分利用多频率场强数据来反映工作面的地质异常。

3、因此，如何提供一种新的方法，能根据双频透视电磁波的响应特征不同和图像梯度的特性，将不同频率的成像数据进行融合，从而获得精准的融合成像，提高煤层工作面地质异常构造的探查精度，达到更好地指导煤炭安全开采的目的，是本行业所需研究的方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤层工作面透视电磁波双频场强值梯度融合处理方法，能根据双频透视电磁波的响应特征不同和图像梯度的特性，将不同频率的成像数据进行加权融合，从而获得精准的融合成像，提高煤层工作面地质异常构造的探查精度，达到更好地指导煤炭安全开采的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤层工作面透视电磁波双频场强值梯度融合处理方法，具体步骤为：

3、步骤一、布设观测系统及采集双频电磁波数据：在工作面一侧巷道内设置发射点，并在发射点处布设发射线圈和发射机，在该处向工作面内同时激发两种不同频率的电磁波；在工作面另一侧巷道内沿巷道走向设置多个接收点，并在每个接收点处布设接收线圈依次接收电磁波数据，接收线圈与电磁波接收机连接，从而获得两种频率的电磁波透视场强数据；所述两种不同频率的电磁波分别为低频率电磁波和高频率电磁波；低频率电磁波和高频率电磁波的发射频率均在0.01mhz～1mhz之间，且低频率电磁波频率小于高频率电磁波频率的三分之二；

4、步骤二、双频场强分布层析反演成像：将工作面进行网格化，并对两种频率的电磁波透视场强数据分别进行层析反演，从而获得两种频率的工作面图像；

5、步骤三、双频场强值梯度计算：对步骤二获得两种频率的工作面图像分别进行场强值梯度计算，从而获得两种频率工作面图像各自的场强值梯度分布数据；

6、步骤四、数据融合：先确定两种频率场强值梯度分布数据的权重系数，然后结合步骤三两种频率工作面图像各自的场强值梯度分布数据进行数据融合，从而获得融合后双频场强值梯度分布图；

7、步骤五、圈定地质异常范围：根据步骤四融合后的双频场强值梯度分布数据计算对应的边界系数，最后利用边界系数对融合后双频场强值梯度分布图进行圈定，高于该值的部分即为地质异常构造的边界范围，从而圈定出煤层工作面地质异常范围。

8、进一步，所述步骤二具体为：

9、将煤层工作面网格化，共划分为m*n个网格，每个网格作为一个像素，采用f(m,n)表示每个网格的场强值，m＝1,2,…,m，n＝1,2,…,n；假设从发射点产生射线的总条数为k(即发射点与各个接收点之间的直线为射线，则发射点对应各个接收点的数量即为该发射点产生的射线总数)，则每条射线lk在第(m,n)个网格的截距为根据每个接收点接收的场强值、接收点与发射点的距离以及经过该网格的射线数采用层析反演对每个网格赋予场强值，最后根据每个网格的场强值绘制工作面图像，层析反演计算公式为：

10、

11、式中，h1,h2,…,hk为每条射线被对应接收点接收的实测场强值，单位db；

12、将两种频率的电磁波透视场强数据分别重复上述过程，从而获得两种频率的工作面图像。

13、进一步，所述步骤三具体为：

14、将工作面图像看作一个灰度图像，图像梯度是计算图像变化的速度；对于图像边缘部分，灰度值变化较大，其梯度值也较大；对于图像中较平滑部分，灰度值变化较小，其梯度值较小。对步骤二获得两种频率工作面图像均采用如下方式处理，先对任一工作面图像各个网格在x方向和y方向的场强值梯度分布计算，计算公式如下：

15、

16、式中，gx(m,n)表示工作面图像每个像素在x方向上的场强值梯度，gy(m,n)表示工作面图像每个像素在y方向上的场强值梯度，ε表示相邻像素之间的最小距离；

17、计算工作面图像中各个像素的场强值梯度g(m,n)，计算公式如下：

18、

19、通过上述过程，得出两种频率工作面图像每个像素的场强值梯度，进而获得两种频率工作面图像各自的场强值梯度分布数据。

20、进一步，所述步骤四具体为：

21、①确定两种频率梯度分布数据的权重系数：设其中一种频率场强值梯度分布数据的权重系数为α，另一种频率场强值梯度分布数据的权重系数为β，且α+β＝1；则权重系数α的计算公式如下：

22、

23、式中，g1_ave表示其中一种频率场强值梯度分布数据的均值，g2_ave表示另一种频率场强值梯度分布数据的均值，g1(m,n)表示其中一种频率场强值梯度分布数据，g2(m,n)表示另一种频率场强值梯度分布数据；

24、通过上述过程能得出权重系数α和权重系数β的值；

25、②对步骤三两种频率工作面图像各自的梯度分布数据进行数据融合，计算公式如下所示：

26、gs(m,n)＝α*g1(m,n)+β*g2(m,n)                    (7)

27、式中：gs(m,n)表示融合后双频场强值梯度分布数据，从而获得融合后双频场强值梯度分布图。

28、上述权重系数α和权重系数β是基于两种频率的场强值数据均获取较好的情况下确定，也可以根据两种频率场强值的透视效果在上述计算基础上进行微调。根据以往经验在某一地质情况下，若α代表的其中一种频率场强值对地质异常的反映效果高于另一种频率的场强值，可以减小β的值、提高α的值；反之可以提高β的值、减小α的值。也可以根据实际现场采集的数据可靠性和稳定性进行权重系数的微调。

29、进一步，所述步骤五具体为：

30、根据步骤四融合后的双频场强值梯度分布数据计算对应的边界系数q，计算公式如下：

31、

32、

33、式中：λ表示边界系数的权重系数，范围为0～1；max(gs(m,n))表示融合后双频场强值梯度分布数据中的最大值；min(gs(m,n))表示融合后双频场强值梯度分布数据中的最小值；

34、最后利用边界系数q对融合后双频场强值梯度分布图进行圈定，高于该值的部分即为地质异常构造的边界范围，从而圈定出煤层工作面地质异常范围。

35、与现有技术相比，本发明先获得低频率电磁波和高频率电磁波两种频率的电磁波透视场强数据；接着对双频场强分布层析反演成像，获得两种频率的工作面图像；然后进行场强值梯度计算，获得两种频率工作面图像各自的场强值梯度分布数据；接着确定两种频率场强值梯度分布数据的权重系数，结合上述场强值梯度分布数据进行数据融合，从而获得融合后双频场强值梯度分布图；根据融合后的双频场强值梯度分布数据计算对应的边界系数，最后利用边界系数圈定出煤层工作面地质异常范围。该方法能根据双频透视电磁波的响应特征不同和图像梯度的特性，将不同频率的成像数据进行加权融合，从而获得精准的融合成像，提高了煤层工作面地质异常构造的探查精度，达到更好地指导煤炭安全开采的目的。