CN102944522B - 基于偏振光谱分析的瓦斯突出检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于成像光谱偏振技术的瓦斯突出检测方法，属于煤矿自动化在线监测技术领域，其特征在于通过对瓦斯突出时，对电磁辐射强度的探测获取瓦斯突出位置的偏振图像信息而推求突出表面状态、温度及其它物理化学特性，该方法从不同的角度来观察被测表面，准确确定瓦斯突出的具***置，并且对瓦斯突出表面理化结构进行精确描述，不仅检测方便，提高瓦斯突出预测的准确性，而且易操作，对生产影响小，费用低。

Description

基于偏振光谱分析的瓦斯突出检测方法

技术领域

本发明基于成像光谱偏振技术的瓦斯突出检测方法，属于煤矿自动化在线监测技术领域，通过对瓦斯突出时，对电磁辐射强度的探测获取瓦斯突出位置的偏振图像信息而推求突出表面状态、温度及其它物理化学特性，从而从不同的角度来观察被测表面，准确确定瓦斯突出的具***置，并且对瓦斯突出表面理化结构进行精确描述的技术方案。

背景技术

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，随着矿井深度和开采规模的增大，矿井突出危险性逐渐增加，不仅威胁人员安全，还影响正常生产，增加生产成本，严重影响煤矿的社会效益和经济效益，对于煤岩动力灾害的有效预测预报是采取防治措施、保护人员生命安全和国家财产的关键，据不完全统计，2009年全国发生一次死亡3人以上的煤与瓦斯突出事故40起，死亡262人，因此选择一种准确率高、易操作、对生产影响小、费用低的预测预报方法是亟待解决的首要问题。

目前，传统的瓦斯突出预测方法是通过向工作面前方煤体打钻，通过钻屑量、钻孔瓦斯涌出速度等指标来判定突出的危险性。近年来兴起了电磁辐射法来预测煤与瓦斯突出，综合反映了煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的主要影响因素。但是，其预测结果并不能完全代表整个预测步长范围内煤体的突出危险性，含瓦斯煤体在生产过程中是不稳定的，在预测时刻取得的结果只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期的突出危险性，因此，现在迫切需要一种能够全面、准确预测预报煤与瓦斯突出的检测方法的技术方案。

发明内容

本发明基于成像偏振分析的瓦斯突出预警方法的目的在于：为解决上述现有技术迫切需要解决的问题，公开一种采用机器视觉成像偏振技术将瓦斯突出位置的温度、成份、波长等信息用图像直观的反映出来，更好的分析瓦斯突出煤岩体电磁辐射的影响规律及影响机制，全面准确预测预报煤与瓦斯突出检测方法的技术方案。

本发明基于成像偏振遥感技术的瓦斯突出预警方法，其特征在于是一种采用机器视觉成像偏振技术将瓦斯突出位置的温度、成份、波长等信息用图像直观的反映出来，更好的分析瓦斯突出煤岩体电磁辐射的影响规律及影响机制，全面准确预测预报煤与瓦斯突出检测方法，该方法以成像光谱为基础，以成像偏振为切入点对伪装目标和背景进行分析和建模，完成瓦斯突出时的成像过程，更精确可靠地提取瓦斯突出时的地物的偏振光谱特性，针对其图像进行分类与检测，具体步骤如下：

、实验的安装与调试，按照设定的实验目的和实验场景，放置偏振探测器和目标物，设定偏振探测器方位角为40°~60°，同时，根据太阳光的强弱，对图像采集软件进行曝光和增益的调整，达到瓦斯突出前预警的实验目标；

、辐射定标测量，分别在太阳光和阴影下，对偏振角为0°和90°的多波段图像和光谱仪数据进行采集；

、目标物测量，分别在太阳光和阴影下，对偏振角为0°、45°、90°和135°的目标物多波段图像和光谱仪数据进行采集；

、图像与处理，根据和得到的实验图像，利用最小二乘法建立多波段图像和光谱仪数据之间的相互关系，并利用此关系对其他地物的图像数据进行反演；

、偏振光谱数据参数的求取，太阳光到达被观测目标表面与目标内部结构发生作用后返回目标表面进入探测器，反映观测目标的内部组成结构信息，其辐射传输方程为：

 

式中：为传感器接收到的总辐射的向量；为目标反射的天空散射光的向量；在地面遥感中近似为零，可以忽略不计，由此，便可以得到目标的偏振光谱的数据试验参数，其计算式为：

因此，对某个探测位置单个光谱波段的偏振参数，至少需要四组目标材料数据，类似的还可以得到：

线偏振度：  

偏振相角： 

VI、图像数据的分析，将由V获得的偏振参数与由和获得的未突出位置的多波段图像在光谱仪上进行数据对比，并且根据数据对比结果设定阈值，一旦由V获得的偏振参数超出设定阈值，则判别为瓦斯突出危险区，也就准确检测出煤矿瓦斯突出的位置。

基于成像偏振遥感技术的瓦斯突出预测方法的优点在于：

1、用图像信息直观的反映出成像区域内瓦斯突出的准确位置以及瓦斯含量的多少，精确度高，性能可靠，克服了现有的瓦斯突出预测方法的失效现象及维修现状的不足，提供了一种基于成像偏振技术的瓦斯突出预警方法，且其检测装置的整体结构紧凑，灵巧，适合于矿区工作，而且响应时间较短，真实的反映出探测目标的波谱特征，同时获得目标表面的辐射量、空间信息及偏振光谱信息，节省了大量钻探工程，对生产的影响小及不受煤岩体在空间上分布不均匀及时间上不稳定的影响，避免了不必要的经济损失，经济效益十分可观。

2、通过成像偏振可以有效的消除背景噪声，可以增加目标的信息量，在某种程度上能大大的提高目标探测和地物识别的准确度，是其他探测手段无法替代的新型对地探测技术，在目标检测、分类、识别、恶劣条件下（如尘雾天气等）成像图像的增强，获取目标的偏振光谱特性，提供传统方法无法获取的信息，对这些信息进行综合利用，有效的提高了目标检测和识别性能，特别是对探测经过隐蔽、伪装或具有隐身能力的地物，对于瓦斯预警其探测方法简单可靠，人员保护安全性高，并且可以有效探测出瓦斯的突出区域，节省盲目钻孔的财政开支，有效的节省社会资源。

 附图说明

通过下述结合附图的详细描述，本发明的目的、其他特征以及优点将更加清晰。

其中图1是示出偏振光谱数据参数获取流程图。

图2是示出本发明探测器接收光谱示意图。

示意图中标号说明：

C：摄像机  Cd：云彩  S：太阳  A：瓦斯突出区  B：瓦斯检测区

：太阳散射能量  ：太阳光经目标表面及内部发生散射的能量  ：到达传感器的总辐射量  ：太阳直射能量  ：光源入射角

具体实施方式

下面将更加详细的描述本发明的优选实施方式，其示例在附图中图示。

实施方式1：

图1是示出偏振光谱数据参数获取流程图。

根据实验测量和室外实验的特点，参照图1描述了偏振光谱成像的具体工作步骤，针对成像偏振光谱仪测量图像描述地物目标的纹理特征和偏振变化特征，然后利用偏振光谱仪的数据来反演图像数据，最终达到准确描述地物目标的偏振特征和纹理特征的效果。

图2是示出本发明探测器接收光谱示意图。

参照图2，可以看出，在可见光遥感区域，到达探测目标表面的能量主要来自两部分，太阳直射和大气散射，到达传感器的总辐射可以近似分解为三部分：

（1）经过目标散射后直接到达探测器的太阳光，包含太阳光经目标表面及内部发生散射的能量。

（2）目标散射的天空散射光。

（3）经大气散射后，直接沿着目标-探测器方向进入探测器的太阳光，该部分的能量所占比例较小。

     假定外大气层的太阳辐射照度为，在沿着太阳到目标的路径传播时，其透射率为，当入射光经目标表面反射后，沿着目标到探测器的路径传播史，其透射率为，则    （公式1）

假设天空散射光为，通过入射角余弦的修正和表面小面元对散射光的反射，并对反射后的天空散射光在上半球空间内积分，得到目标表面反射的总散射光，最后经过从目标到传感器的传播削弱过程，得到。可以表示为

             （公式2）

由此，根据公式1和公式2得到其对应的向量辐射传输方程为：，

 （公式3）

通过对目标材料进行测量，依据向量辐射传输方程，计算出探测目标的偏振数据参数。

当波长为500nm时，=24.27°，=42°，=200°位置处白色瓷砖反演后的偏振光谱数据参数为=0.26（sr^-1)，= 0.004（sr^-1），=5*10^-4（sr^-1)，=0.02,=0.07（rad)。

***图像处理与分析部分采用LabVIEW处理，LabVIEW具有强大的数据采集功能，对各种摄像设备支持，并自带NI Vision视觉开发界面模块，响应速度快，较以往VC++编程具有处理手段先进，维护方便等优点。

***软件部分运用LabVIEW G语言编程，具有图形化，模块化，人机界面好，操作简单等特点。采用先进先出的数据结构，实现在线采集、存储、分析、处理瓦斯突出区域灰度图像的变化，用户可以随时查看、打印报表。

实施方式2：当波长为550nm时，=24.27°，=42°，=200°位置处白色瓷砖反演后的偏振光谱数据参数为=0.28（sr^-1)，= 0.003（sr^-1)，=2.7*10^-3（sr^-1)，=0.02,=0.32（rad)。

    其它同实施方式1 。

实施方式3：当波长为600nm时，=24.27°，=42°，=200°位置处白色瓷砖反演后的偏振光谱数据参数为=0.28（sr^-1)，= 0.003（sr^-1)，=-1.5*10^-3（sr^-1)，=0.01,=-0.15（rad)。其它同实施方式1 。

Claims (1)

1.基于成像偏振遥感技术的瓦斯突出预警方法，其特征在于是一种采用机器视觉成像偏振技术将瓦斯突出位置的温度、成份、波长等信息用图像直观的反映出来，更好的分析瓦斯突出煤岩体电磁辐射的影响规律及影响机制，全面准确预测预报煤与瓦斯突出检测方法，该方法以成像光谱为基础，以成像偏振为切入点对伪装目标和背景进行分析和建模，完成瓦斯突出时的成像过程，更精确可靠地提取瓦斯突出时的地物的偏振光谱特性，针对其图像进行分类与检测，具体步骤如下：

I、实验的安装与调试，按照设定的实验目的和实验场景，放置偏振探测器和目标物，设定偏振探测器方位角为40°～60°，同时，根据太阳光的强弱，对图像采集软件进行曝光和增益的调整，达到瓦斯突出前预警的实验目标；

II、辐射定标测量，分别在太阳光和阴影下，对偏振角为0°和90°的多波段图像和光谱仪数据进行采集；

III、目标物测量，分别在太阳光和阴影下，对偏振角为0°、45°、90°和135°的目标物多波段图像和光谱仪数据进行采集；

IV、图像与处理，根据II和III得到的实验图像，利用最小二乘法建立多波段图像和光谱仪数据之间的相互关系，并利用此关系对其他地物的图像数据进行反演；

V、偏振光谱数据参数的求取，太阳光到达被观测目标表面与目标内部结构发生作用后返回目标表面进入探测器，反映观测目标的内部组成结构信息，当波长为λ时，偏振光谱数据参数矩阵表示为：

${\left[\begin{array}{c}{f}_{00}\\ f_{10}\\ f_{20}\end{array}\right]}_{\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{L_t-L_s-L_u}{{\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\τ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i{E}_s}=\frac{L_t-{\mathrm{\τ}}_r\underset{{\mathrm{\Ω}}_i}{\∫\∫}{F}_r\cos {\mathrm{\θ}}_i{L}_s^{{\mathrm{\Ω}}_i}-L_u}{{\mathrm{\τ}}_i{\mathrm{\τ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i{E}_s}$

式中，f₀₀，f₁₀，f₂₀为反演后偏振光谱数据参数，L_t为传感器接收到的总辐射的向量；L_s为目标反射的天空散射光的向量；L_u为经大气散射后，直接沿着目标-探测器方向进入探测器的太阳光，L_u在地面遥感中近似为零，可以忽略不计，τ_r为入射光经目标表面反射后沿着目标到探测器路径传播的透射率，τ_i为沿着太阳到目标路径传播时的透射率，E_s为外大气层的太阳辐射照度，θ_i为光源入射角，为天空散射光，F_r为目标材料，由此，便可以得到目标的偏振光谱的数据试验参数，其计算式为：

$\left[\begin{array}{c}{f}_{00}\\ f_{10}\\ f_{20}\end{array}\right]=\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}(I_{t-\mathrm{ref}0}+I_{t-\mathrm{ref}90})-(I_{s-\mathrm{ref}0}+I_{s-\mathrm{ref}90})}\×\left[\begin{array}{c}((I_{t-0}-I_{s-0})+(I_{t-45}-I_{s-45})+(I_{t-90}-I_{s-90})+(I_{t-135}-I_{s-135}))/2\\ (I_{t-0}-I_{s-0})-(I_{t-90}-I_{s-90})\\ (I_{t-45}-I_{s-45})+(I_{t-135}-I_{s-135})\end{array}\right]$

式中，ρ为半球反射率，I_t-ref0，I_t-ref90和I_s-ref0，I_s-ref90为辐射定标测量时，太阳光和阴影下偏振角为0°和90°时光谱仪测量的光强值，I_t-0，I_t-45，I_t-90，I_t-135和I_s-0，I_s-45，I_s-90，I_s-135分别为目标物测量时，在太阳光和阴影下偏振角为0°、45°、90°和135°的目标物光谱仪测量的光强值，因此，对某个探测位置单个光谱波段的偏振参数，至少需要四组目标材料数据，可以得到：

线偏振度： $\mathrm{DoLP}=\frac{\sqrt{f_{10}^2+f_{20}^2}}{f_{00}}$

偏振相角： $\mathrm{Orient}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{f_{20}}{f_{10}}\right)$

VI、图像数据的分析，将由V获得的偏振参数与由II和III获得的未突出位置的多波段图像在光谱仪上进行数据对比，并且根据数据对比结果设定阈值，一旦由V获得的偏振参数超出设定阈值，则判别为瓦斯突出危险区，也就准确检测出煤矿瓦斯突出的位置。