CN103792585A - 多介质结构测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多介质结构测量方法及装置，包括：获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4，根据设定的介质结构数学模型，以及N组发射场强H₀和N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。从而提高了电磁波走时层析成像技术在重建图像反演过程中的可靠性。

Description

多介质结构测量方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及隐伏介质反演方法，尤其涉及一种多介质结构测量方法及装置。

背景技术

无线电磁波层析成像技术又称为无线电磁波透视法，主要根据在物体外部的测量数据，依照一定的物理和数学关系反演出物理内部物理量的分布，并由计算机以图象形式显示出来。是一种发展中的地理勘探技术，通常被应用在煤层开采工作中，无线电磁波层析成像技术主要分为电磁波衰减系数层析成像技术，电磁波相位层析成像技术和电磁波走时层析成像技术。

目前，电磁波走时层析成像技术在重建图像反演时，通常采用单矢量（场强）方法计算反演路径上的介质参数，或者是在网格离散化处理过程中，通过网格内的走时路径长度影响网格内的介质参数。无论是单矢量方法还是网格离散化处理方法其路径上的介质都被视为均一化。

然而，介质参数的均一化并不符合煤层的多介质结构，从而电磁波走向断层难以有效反演出重建图像所需的参数。

发明内容

本发明提供一种多介质结构测量方法及装置。解决了电磁波走向断层难以有效反演出重建图像所需的参数和发射信号失真问题。从而提高了电磁波走时层析成像技术在重建图像反演过程中的可靠性，并且降低了时延现象对发射信号的影响。

第一方面，本发明实施例提供了一种多介质结构测量方法，包括：获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4，根据设定的介质结构数学模型，以及N组发射场强H₀和N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能实施方式中，介质结构数学模型具体为：

其中所述衰减系数β_k和所述走时路径r_k分别表示多介质结构的第k层的衰减系数和走时路径。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能实施方式中，还包括将电磁波模拟信号转换为数字信号，具体包括：将发送端发送的电磁波通过脉冲编码调制或脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号。

结合第一方面的第二种可能实施方式，在第三种可能实施方式中，将发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之前，还包括：将通过脉冲宽度调制所产生的等幅等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。

结合第一方面的第三种可能实施方式，在第四种可能实施方式中，将发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之后，还包括：若所述接收端接收的数字信号的标尺段没有偏移，则将数字信号的特征曲线段中受到干扰的所述脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波，若标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原脉冲方波。

第二方面，本发明实施例提供了一种多介质结构测量装置，包括：获取模块，用于获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4，确定模块，用于根据设定的介质结构数学模型，以及N组发射场强H₀和所述N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能实施方式中，介质结构数学模型具体为： $\underset{k=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k{r}_k=\ln \frac{H_{N/2}{r}_1{r}_2{r}_3\·\·\·r_{N/2}}{H_0}.$

结合第二方面，在第二方面的第二种可能实施方式中，还包括转换模块，具体用于将发送端发送的电磁波通过脉冲编码调制或脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号。

结合第二方面的第二种可能实施方式，在第三种可能实施方式中，转换模块将发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之前还用于将通过所述脉冲宽度调制所产生的等幅等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。

结合第二方面的第三种可能实施方式，在第四种可能实施方式中，转换模块还用于若所述接收端接收的数字信号的标尺段没有偏移，则将数字信号的特征曲线段中受到干扰的脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波，若标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原所述脉冲方波。

本发明实施例提供了一种多介质结构测量方法及装置，通过获取到的发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀和接收端接收的N组接收场强H_N/2，以及介质结构数学模型，从而可以确定N/2组衰减系数以及走时路径。同时通过电磁波通过脉冲编码调制方法（Pulse Code Modulation,PCM）或者脉冲宽度调制方法(Pulse Width Modulation,PWM)与时分复用技术结合将模拟信号转换为数字信号，从而提高了电磁波走时层析成像技术在重建图像反演过程中的可靠性，并且降低了时延现象对发射信号的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的多介质结构测量方法流程图；

图2为本发明另一实施例提供的模拟信号通过脉冲宽度调制方法转换为数字信号的流程图；

图3为本发明一实施例提供的多介质结构测量装置结构图；

图4为本发明另一实施例提供的多介质结构测量装置结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的多介质结构测量方法流程图。本实施例提供的方法可适用于煤层开采过程中通过无线电磁波探测多介质结构的应用场景，它的执行主体可以为多介质结构测量装置，具体包括：

S101：获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强和接收端接收到的N组接收场强。

在煤层开采过程中，通过发送电磁波来探测多介质结构，通常这种探测方法被称为无线电磁波层析成像技术。具体包括：发送端发送N组电磁波，多介质结构测量装置获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，其中多介质结构测量装置是从发射端获取发射场强H₀，同时电磁波通过多介质结构后，还可获取N组接收到的N组接收场强H_N/2。其中，N≧4。

S102：确定N/2组衰减系数以及走时路径。

具体地，根据设定的介质结构数学模型，以及N组发射场强H₀和接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

可选地，介质结构数学模型具体为：

其中衰减系数β_k又称“吸收系数”，当电磁波进入煤层中时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的强度随进入距离的增加而衰减，这种现象又称为煤层对电磁波的吸收作用。走时路径r_k指的是电磁波在第k层介质时所穿过的距离。由于上述数学模型是一个N元方程，因此若能获取N组发射场强H₀和接收场强H_N/2，则可以计算获得N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k。由于多介质结构可以由每一层介质的衰减系数和走时路径决定，因此本发明提供的多介质结构测量方法是通过获得多介质结构的衰减系数和走时路径可以有效的完成电磁波走时层析成像技术中的图像反演。

本实施例提供了一种多介质结构测量方法，其中通过发送N组电磁波，从而获取N组发射场强H₀和接收端接收的N组接收场强H_N/2，进一步根据设定的介质结构数学模型，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k。本实施例提供的介质结构数学模型符合煤层的多介质结构，从而可以有效反演出重建图像所需的参数。

图2为本发明另一实施例提供的模拟信号通过脉冲宽度调制方法转换为数字信号的流程图，本实施例提供的方法可适用于通过无线电磁波探测多介质结构的应用场景，在上一实施例的基础上可以将发射电磁波模拟信号转换为数字信号，因此接收端接收的信号也为数字信号，从而获得准确的接收场强H_N/2。

具体包括：通过脉冲编码调制方法或者脉冲宽度调制方法将模拟信号转换为数字信号。

其中，通过脉冲编码调制方法（Pulse Code Modulation,PCM）进行转换具体包括：抽样，量化，编码。具体地，首先将模拟信号离散化，即对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样，称之为抽样；然后将无限个可能的抽样值抽样成有限个可能取值，称之为量化；最后对量化后的抽样值用二进制码元进行编码，最终实现模拟信号到数字信号的转换。在量化过程中可以采用非均匀量化，实现这种思路的方法可以是压缩法与扩张法。

通常脉冲宽度调制方法(Pulse Width Modulation,PWM)转换方法包括：将模拟信号转换为等幅不等宽的脉冲方波，将等幅不等宽的脉冲方波转换为二进制编码，即数字信号。为了保证每个方波衰减特性相同，可以对等幅不等宽的脉冲方波继续采用时分复用技术，从而将等幅不等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。如图2所示，本实施例提供了一种将模拟信号转换为数字信号的方法，具体步骤如下：

S201：电磁波模拟信号转换为等幅不等宽方波。

具体地，电磁波模拟信号可以通过PWM方法转换为等幅不等宽方波，其中模拟信号可以是指数信号，形成指数波形，通过PWM变换，把上述波形转换为等幅不等宽的方波，并且在同一周期内指数波形形成的面积与对应周期内的等幅不等宽的方波面积相同，保证了变换后的数字信号发射场强与对应的模拟信号的发射场强相同。

S202：通过时分复用技术将等幅不等宽方波转换为至少一个等幅等宽方波。

为保证每个方波衰减特性相同，将采用时分复用技术将等幅不等宽方波转换为等幅等宽方波，从而使得信号通过介质后，所有接收到的信号是等幅值变小的。

S203：将等幅等宽方波转换为数字信号。

将等幅等宽方波通过二进制编码转换为数字信号。由于S202应用了时分复用技术，该时分复用技术可以使得信号具有抗干扰能力，具体地，接收端的数字信号的码元不发生改变时，数字信号携带的模拟信号具有的如指数特性不会发生改变，即通过接收端接收信号是否具有指数曲线这一特性来检测数字信号质量；若接收端的码元发生改变，说明接收信号受到背景和多径衰落干扰。在煤层开采过程中经常遇到时延问题，而时延问题容易影响采集数据的准确性，从而难以有效反演出煤层精细介质结构，通过对模拟信号向数字信号的转换，可以极大的抗随机背景干扰，以及由于井下的复杂环境造成的多径效应干扰。

S204：通过数字信号的标尺段和特征曲线段调整脉冲方波。

多径效应叠加问题在无干扰情况下实质是同频率不同相位场强的叠加问题，为了进一步地克服煤层结构中多路径条件下的信号叠加所产生的相位偏移问题，将经过PWM变换和时分复用技术处理后的数字信号划分为标尺段和特征曲线段。若接收端接收的数字信号的标尺段没有偏移，则将数字信号的特征曲线段中受到干扰的脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波，若标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原脉冲方波。其中，特征曲线段主要是将一个特定的曲线如指数信号，按照一定规律形成以0、1为代码的数字信号，而每个“1”数字信号与标尺段的数字信号是等宽等高，此外特征曲线段将携带极化、相位等信息，完成多极化信息如散射系数，同极化相位差等信息的提取。

本实施例提供了两种将模拟信号转换为数字信号的方法，包括：PCM转换方法，PWM转换方法。其中为了使得PWM转换过程中每组电磁波的衰减特性相同，还采用了时分复用技术。同时，将经过PWM变换和时分复用技术处理后的数字信号划分为标尺段和特征曲线段。克服了煤层结构中多路径条件下的信号叠加所产生的相位偏移问题。从而提高了电磁波走时层析成像技术在重建图像反演过程中的可靠性，并且降低了时延现象对发射信号的影响。

图3为本发明一实施例提供的多介质结构测量装置结构图。本实施例提供的装置可适用于煤层开采过程中通过无线电磁波探测多介质结构的应用场景，其中该装置具体包括：获取模块和确定模块。

获取模块301用于获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4。

在煤层开采过程中，通过发送电磁波来探测多介质结构，通常这种探测方法被称为无线电磁波层析成像技术。具体包括：发送端发送N组电磁波，多介质结构测量装置的获取模块301获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，同时电磁波通过多介质结构后，获取模块301还可获取N组接收到的接收场强H_N/2。其中，N≧4。

确定模块302用于根据设定的介质结构数学模型，以及N组发射场强H₀和N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

可选地，介质结构数学模型具体为：

其中衰减系数β_k又称“吸收系数”，走时路径r_k指的是电磁波在第k层介质时所穿过的距离。由于上述数学模型是一个N元方程，因此若能获取N组发射场强H₀和接收场强H_N/2，则确定模块302可以确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k。由于多介质结构可以由每一层煤层介质的衰减系数和走时路径决定，因此本发明提供的多介质结构测量装置是通过获得多介质结构的衰减系数和走时路径可以有效的完成电磁波走时层析成像技术中的图像反演。

本实施例提供了一种多介质结构测量装置，其中包括获取模块和确定模块，确定模块通过建立的介质结构数学模型和获取模块获得到的发射场强以及接收场强从而可以有效反演出重建图像所需的参数即介质系数和走时路径。

图4为本发明另一实施例提供的多介质结构测量装置结构图，本实施例在上一实施例提出的多介质结构测量装置基础上增加了转换模块，其中转换模块主要实现模拟信号到数据信号的转换，具体包括：

转换模块401具体用于将发送端发送的电磁波通过PCM或PWM由模拟信号转换为数字信号。

其中，通过PCM进行转换具体包括：抽样，量化，编码。具体地，首先将模拟信号离散化，即对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样，称之为抽样；然后将无限个可能的抽样值抽样成有限个可能取值，称之为量化；最后对量化后的抽样值用二进制码元进行编码，最终实现模拟信号到数字信号的转换。在量化过程中可以采用非均匀量化，实现这种思路的方法可以是压缩法与扩张法。转换模块401进行PWM转换具体包括：将模拟信号转换为等幅不等宽的脉冲方波，将等幅不等宽的脉冲方波转换为二进制编码，即数字信号。为了保证每个方波衰减特性相同，转换模块401在将发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之前还用于将通过脉冲宽度调制所产生的等幅等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。从而使得数字信号通过介质后，所有接收到的信号是等幅值变小的，应用时分复用技术可以使得数字信号具有抗干扰能力，接收端的数字信号的码元不发生改变时，数字信号携带的模拟信号具有的如指数特性不会发生改变，若接收端的码元发生改变，说明接收信号受到背景和多径衰落干扰。

进一步地，转换模块401还用于，若所述接收端接收的数字信号的标尺段没有偏移，则将数字信号的特征曲线段中受到干扰的脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波，若标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原脉冲方波。从而可以克服煤层结构中多路径条件下的信号叠加所产生的相位偏移问题

本实施例通过提供一种多介质结构测量装置，其中该装置包括转换模块，获取模块和确认模块，其中转换模块实现模拟信号到数字信号的转换，从而提高了电磁波走时层析成像技术在重建图像反演过程中的可靠性，并且降低了时延现象对发射信号的影响。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多介质结构测量方法，其特征在于，包括：

获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的所述N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4；

根据设定的介质结构数学模型，以及所述N组发射场强H₀和所述N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质结构数学模型具体为：

其中所述衰减系数β_k和所述走时路径r_k分别表示多介质结构的第k层的衰减系数和走时路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将电磁波模拟信号转换为数字信号，具体包括：

将所述发送端发送的电磁波通过脉冲编码调制或脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之前，还包括：

将通过所述脉冲宽度调制所产生的等幅等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之后，还包括：

若所述接收端接收的所述数字信号的标尺段没有偏移，则将所述数字信号的特征曲线段中受到干扰的所述脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波；

若所述标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原所述脉冲方波。

6.一种多介质结构测量装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取发射端发送的N组电磁波的N组发射场强H₀，并获取接收端接收的所述N组电磁波的N组接收场强H_N/2，其中，N≧4；

确定模块，用于根据设定的介质结构数学模型，以及所述N组发射场强H₀和所述N组接收场强H_N/2，确定N/2组衰减系数β_k以及走时路径r_k，其中，k=1,2……N/2。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述介质结构数学模型具体为： $\underset{k=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k{r}_k=\ln \frac{H_{N/2}{r}_1{r}_2{r}_3\·\·\·r_{N/2}}{H_0}.$

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括转换模块，具体用于将所述发送端发送的电磁波通过脉冲编码调制或脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述转换模块在将所述发送端发送的电磁波通过脉冲宽度调制由模拟信号转换为数字信号之前还用于：将通过所述脉冲宽度调制所产生的等幅等宽的脉冲方波通过时分复用技术转换为至少一个等幅等宽的脉冲方波。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述转换模块还用于

若所述接收端接收的所述数字信号的标尺段没有偏移，则将所述数字信号的特征曲线段中受到干扰的所述脉冲方波替换为标尺段对应位置的脉冲方波；

若所述标尺段存在偏移，则按照相位偏移复原所述脉冲方波。

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