CN106054266A - 一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法，属于岩体测试仪器领域。由全向天线、信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路和FPGA最小系统构成。全向天线由第一磁棒天线、第二磁棒天线、第一可调双联电容、第一磁环变压器、第二可调双联电容、第二磁环变压器和第三磁环变压器构成。FPGA最小系统包括原始电磁辐射信号接收模块、信号分解与提取模块、信号幅值标准差计算模块、噪声添加模块、信号划分模块、信号去噪模块、信号重构模块和信号分频模块。对被测区域的电磁辐射信号进行全向采集并进行放大与滤波处理后，基于AEEMD‑IWT方法对岩体电磁辐射信号进行去噪及分频处理，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值。

Description

一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法

技术领域

本发明属于岩体测试仪器领域，特别涉及一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法。

背景技术

我国煤层赋存与地质条件复杂多样，经常受到瓦斯、水、火、粉尘、顶板、煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿灾害的严重威胁。煤岩动力灾害现象是煤岩体在内外物理化学及应力综合作用下快速破裂的结果，是典型的不可逆能量耗散过程。煤岩灾害动力现象范围很广，涉及到许多工程领域，在矿山主要有岩石与瓦斯突出、煤与瓦斯突出、矿山冲击、顶板塌陷、矿震、边滑移等；在地面，主要有地震、山体滑移、地基失稳及岩石混凝土建筑失稳倒塌等。在这些动力学过程中，煤岩体自外界获得的能量和地层形成过程中存储的能量将以各种形式被耗散，如弹性能、压缩气体的膨胀能、热能、声能和电磁能等形式，电磁辐射就是一种重要的能量耗散形式。

煤岩动力灾害频频发生，对煤岩动力灾害进行有效的预测预报已成为保障煤矿安全开采需要解决的重要课题。常规的煤岩动力灾害预测方法，主要是钻屑法，但是这种方法不能有效的进行实时预测，同时作业时间长，工程量也很大，预测作业时间也较长，对生产有一定影响。电磁辐射法作为一种非接触性的短临预报煤岩动力灾害的方法，其优越性得到广泛认可。中国矿业大学的何学秋、王恩元等开展了煤岩与瓦斯电磁辐射特性及其应用研究，并开发了一种电磁辐射监测仪，其接收频段主要集中于1KHz～500KHz的低频电磁辐射信号。然而实际的电磁辐射频段很宽。又由于井下机电干扰较多，对采集的信号产生干扰，影响测量信号的准确性及有效性。目前对煤岩电磁辐射信号处理分析方法有待改进，常用的小波变换算法，没有跨越小波变换中小波基选择的沟壑，去噪和频谱分析的精度低、稳定性差，并不利于煤岩破坏电磁辐射特性的深层解析，实时性、分析精度有待提高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种能够采集与处理煤岩变形破裂产生的宽频段电磁辐射信号的装置及方法。

本发明的技术方案：

一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置，由全向天线、信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路和FPGA最小系统构成；

所述全向天线由交叉垂直放置的第一磁棒天线、第二磁棒天线、第一可调双联电容、第一磁环变压器、第二可调双联电容、第二磁环变压器和第三磁环变压器构成；

所述第一可调双联电容同时与所述第一磁棒天线和所述第一磁环变压器的一次侧相连接；所述第二可调双联电容同时与所述第二磁棒天线和所述第二磁环变压器的一次侧相连接；所述第一磁环变压器的二次侧和所述第二磁环变压器的二次侧同时与所述第三磁环变压器的一次侧相连接；所述第三磁环变压器的二次侧与所述信号放大电路的输入端相连接；所述信号放大电路的输出端连接所述滤波电路的输入端；所述滤波电路的输出端连接所述A/D转换电路的输入端；所述A/D转换电路的输出端连接FPGA最小系统；

所述FPGA最小系统用于对从A/D转换电路接收的电磁辐射信号进行去噪和分频处理，其进一步包括：

原始电磁辐射信号接收模块，用于从A/D转换电路实时接收原始电磁辐射信号，并发送给信号幅值标准差计算模块和信号分解与提取模块；

信号分解与提取模块，利用EMD算法将原始电磁辐射信号分解为从高频到低频的n阶IMF分量并从中提取出原始电磁辐射信号的有效高频成分并发送至信号幅值标准差计算模块；利用EMD算法将新信号分解为从高频到低频的m阶IMF分量并发送给信号划分模块；

信号幅值标准差计算模块，计算原始电磁辐射信号的幅值标准差σ₀；计算原始电磁辐射信号中有效高频成分的幅值标准差σ_h；计算σ_h与σ₀的比值ε；根据σ₀和ε，计算预添加辅助白噪声信号的幅值标准差σ_n；根据预设的原始电磁辐射信号EMD分解的相对误差最大值ε_n，求出集合平均次数M；

噪声添加模块，将满足幅值标准差σ_n和集合平均次数M条件的辅助白噪声信号添加到原电磁辐射始信号中，得到新信号，并将该新信号发送到信号分解与提取模块；

信号划分模块，根据连续均方差准则确定分界点k后，将新信号所分解的从高频到低频的n阶IMF分量划分为两部分：以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量；

信号去噪模块，利用IWT算法对以噪声为主导模态的前k个IMF分量进行去噪处理；

信号重构模块，对去噪处理后的以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量进行重构，得到重构后的电磁辐射信号；

信号分频模块，对重构后的电磁辐射信号进行FFT分频处理，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值。

根据所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置，所述第一磁棒天线的一端与所述第一可调双联电容中第一电容的一端连接在一起后连接第二电容的一端，所述第一磁棒天线的另一端与所述第一电容的另一端连接在一起后接地；所述第二电容的另一端与所述第一可调双联电容中第三电容的一端连接在一起后同时连接第一微调电容的一端和第一磁环变压器一次侧的一端，第三电容的另一端、第一微调电容的另一端和第一磁环变压器一次侧的另一端连接在一起并接地。

根据所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置，所述第二磁棒天线的一端与第二可调双联电容中第四电容的一端连接在一起后连接第五电容的一端，第二磁棒天线的另一端与第二可调双联电容中第四电容的另一端连接在一起后接地；第五电容的另一端与第二可调双联电容中第六电容的一端连接在一起以后连接第二微调电容的一端和第二磁环变压器一次侧的一端，第六电容的另一端、第二微调电容的另一端和第二磁环变压器一次侧的另一端连接在一起并接地。

采用所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置的岩体电磁辐射信号采集与处理方法，包括如下步骤：

步骤1：利用全向天线对被测区域的电磁辐射信号进行全向采集，并将采集到的电磁辐射信号发送给信号放大电路；

步骤2：利用信号放大电路对从全向天线接收的电磁辐射信号进行放大处理，并将放大后的电磁辐射信号发送给滤波电路；

步骤3：利用滤波电路滤除信号放大电路引入的高频噪声；

步骤4：利用A/D转换电路对滤波处理后的电磁辐射信号进行模数转换，并将转换后的信号发送至FPGA最小系统；

步骤5：在FPGA最小系统中基于AEEMD-IWT方法对岩体电磁辐射信号进行去噪及分频处理，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值。

根据所述岩体电磁辐射信号采集与处理方法，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5.1：设定FPGA最小系统从A/D转换电路实时接收的原始电磁辐射信号为y(t)；其中y(t)为原始电磁辐射信号的时间序列，t为时间。

步骤5.2：计算y(t)的幅值标准差σ₀；

步骤5.3：利用EMD算法将y(t)分解成n阶从高频到低频的IMF分量imf₁(t)、imf₂(t)、···、imf_k(t)、···、imf_n(t)和1个余项Re(t)，并从y(t)的n阶IMF分量中提取有效高频成分；

步骤5.4：计算y(t)的IMF分量中有效高频成分的幅值标准差σ_h；

步骤5.5：计算σ_h与σ₀的比值ε；

步骤5.6：首先按照公式(1)选择预添加到y(t)上的辅助白噪声信号的幅值标准差σ_n与σ₀的比值α，然后由公式(2)求出σ_n；

0<α≤ε/3 (3)

α＝σ_n/σ₀ (4)

步骤5.7：根据需要达到的精度，确定期望的信号分解相对误差最大值ε_n后，再根据ε_n和α求出集合平均次数M；

步骤5.8：将满足幅值标准差σ_n和集合平均次数M条件的辅助白噪声信号添加到信号y(t)中，得到新信号f(t)；

步骤5.9：利用EMD算法将信号f(t)分解成为m阶从高频到低频的IMF分量IMF₁(t)、IMF₂(t)、···、IMF_k(t)、···、IMF_m(t)和余项Re′(t)；

步骤5.10：根据连续均方差准则确定分界点k，将信号f(t)的m阶IMF分量划分为两部分：以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量；

步骤5.11：利用IWT算法对信号f(t)的以噪声为主导模态的前k个IMF分量进行去噪与重构处理；

步骤5.12：将步骤5.11得到的去噪后的以噪声为主导模态的前k个IMF分量的重构信号与信号f(t)的以信号为主导模态的后m-k个IMF分量及余项进行重构；

步骤5.13：对重构后的信号再进行FFT分频处理，得到电磁辐射信号频段范围内所要重点监测的不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段不同时间点的电磁辐射信号幅值。

本发明的有益效果：本发明的岩体电磁辐射信号采集与处理装置能够非接触地、实时地、准确地采集煤岩采动产生的电磁辐射信号(1KHZ～1MHZ)，且经过有效去噪后信噪比可提高10％左右，最大程度呈现由煤岩动力灾害前兆产生的信号，为后续准确分析前兆信号变化特征、规律，为预测预报煤岩冲击地压、煤与瓦斯突出灾害提供数据基础，且使用方便、效率高、不影响正常产生过程，应用范围广，也可用于矿山冲击、顶板塌陷、矿震、地震、山体滑移等产生的岩体电磁辐射信号的采集与处理。本发明的基于AEEMD-IWT的电磁辐射信号去噪及分频方法有效解决了EMD算法的模态混叠现象，克服了阈值去噪对小波基存在选择性的不足等问题，去噪后通过快速傅里叶(Fast Fourier Transformation，FFT)进行分频，可得到各个频点的信号，为后续分析其特征变化提供基础。

附图说明

图1为本发明一种实施方式岩体电磁辐射信号采集与处理装置的结构示意图；

图2(a)为本发明一种实施方式全向天线结构示意图；(b)为本发明一种实施方式全向天线的电路原理图；

图3为本发明一种实施方式的信号放大电路原理图；

图4为本发明一种实施方式的滤波电路原理图；

图5为本发明一种实施方式的A/D转换电路原理图；

图6为本发明一种实施方式的FPGA最小系统电路原理图；

图7为本发明一种实施方式的通信接口电路原理图；

图8为本发明一种实施方式的信息显示电路原理图；

图9为本发明一种实施方式岩体电磁辐射信号采集与处理方法流程图；

图10为本发明一种实施方式FPGA最小系统基于AEEMD-IWT方法对岩体电磁辐射信号进行去噪及分频处理流程图。

具体技术方案

下面结合附图对本发明的一种实施方式作进一步详细的说明。

由于煤岩地质情况的差异，频率范围会有所变化，但是主要频段基本集中在1KHZ～1MHZ。为较全面的接收及分析电磁辐射信号低、中、高频段的特征及规律，本发明研制了一种新型电磁辐射信号采集及处理装置，针对频段为1KHZ～1MHZ的岩体电磁辐射信号进行采集与处理，并利用自适应集合经验模态分解(Adaptive Ensemble Empirical ModeDecomposition,AEEMD)算法与改进小波阈值去噪(Improved Wavelet Threshold,IWT)算法相结合的方法即AEEMD-IWT方法对采集的岩体电磁辐射信号进行去噪处理后再进行分频处理。

本发明的一种实施方式给出岩体电磁辐射信号采集与处理装置，其结构框图如图1所示，该装置由全向天线1、信号放大电路2、滤波电路3、A/D转换电路4、FPGA最小系统5、通信接口电路6和信息显示电路7组成。

本实施方式中利用全向天线1对电磁辐射信号进行全向采集，有效接收频段为1KHZ～1MHZ，采集的电磁辐射信号发送至信号放大电路2。如图2(a)所示，本实施方式的全向天线1由十字交叉且垂直放置的第一磁棒天线L7、第二磁棒天线L9两根磁棒、第一可调双联电容、第一磁环变压器L8、第二可调双联电容、第二磁环变压器L10和第三磁环变压器L11构成。其中第一可调双联电容同时与第一磁棒天线L7、第一磁环变压器L8的一次侧相连接，第二可调双联电容同时与第二磁棒天线L9、第二磁环变压器L10的一次侧相连接，第一磁环变压器L8的二次侧和第二磁环变压器L10的二次侧同时与第三磁环变压器L11的一次测相连接。所述第一磁棒天线L7和第二磁棒天线L9均为本实施方式岩体电磁辐射信号采集与处理装置的电磁辐射信号接收端。所述第三磁环变压器L11的二次侧输出端与所述信号放大电路2的输入端相连接。

本实施方式中第一磁棒天线L7和第一磁棒天线L9的直径均为8mm，长为50mm，接收频段为1KHZ～1MHZ，灵敏度为10μv/m。应用时，将本实施方式的全向天线置于距离被测区域煤岩壁7～25米的位置为宜。岩体变形破裂产生的电磁辐射信号经第一磁棒天线L7和第二磁棒天线L9接收以后，经全向天线1、信号放大电路2、滤波电路3、AD转换电路4到达FPGA最小系统5，在FPGA最小系统5中采用AEEMD-IWT方法对信号进行去噪处理后，进行FFT分频运算，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值，并利用信息显示电路7进行幅值显示，同时还可以通过通信接口电路6上传给PC机进行进一步分析及判断，得出电磁辐射信号的功率谱、频谱曲线及幅值曲线，作为判断动力灾害前兆的依据。

图2(b)施方式中全向天线1的电路原理图，其中第一磁棒天线L7的一端与第一可调双联电容中的第一电容C38一端连接在一起后连接第二电容C41的一端，第一磁棒天线L7的另一端与第一可调双联电容中的第一电容C38的另一端连接在一起后接地，第一磁棒天线L7与第一可调双联电容中的第一电容C38形成的并联电路构成第一磁棒天线L7的第一级谐振电路。第二电容C41的另一端与第一可调双联电容中的第三电容C39的一端连接在一起以后连接第一微调电容C40的一端和第一磁环变压器L8一次侧的一端，第三电容C39的另一端、第一微调电容C40的另一端和第一磁环变压器L8一次侧的另一端连接在一起并接地，且第三电容C39、第一微调电容C40和第一磁环变压器L8一次侧形成的并联电路构成第一磁棒天线L7的第二级谐振电路。

第二磁棒天线L9的一端与第二可调双联电容中的第四电容C43一端连接在一起后连接第五电容C42的一端，第二磁棒天线L9的另一端与第二可调双联电容中的第四电容C43的另一端连接在一起后接地，第二磁棒天线L9与第二可调双联电容中的第四电容C43形成的并联电路构成第二磁棒天线L9的第一级谐振电路。第五电容C42的另一端与第二可调双联电容中的第六电容C44的一端连接在一起以后连接第二微调电容C45的一端和第二磁环变压器L10一次侧的一端，第六电容C44的另一端、第二微调电容C45的另一端和第二磁环变压器L10一次侧的另一端连接在一起并接地，且第六电容C44、第二微调电容C45和第二磁环变压器L10一次侧形成的并联电路构成第二磁棒天线L9的第二级谐振电路。

第二磁环变压器L8二次侧和第二磁棒天线L9的二次侧均与第三磁环变压器L11的一次侧相连接，第三磁环变压器L11的二次侧的输出端Out连接本实施方式的信号放大电路2的J2接口1、2脚。

本实施方式的信号放大电路2，用于对从全向天线1接收的电磁辐射信号进行放大，由VCA610程控放大器U2、OPA820高速放大器U3构成的两级运放放大倍数可调，为50～100倍，放大后的电磁辐射信号发送至滤波电路3。如图3所示，实施方式的信号放大电路2其包括型号为VCA610的程控放大器U2、型号为OPA820的高速放大器U3、电阻R1～R11、R13～R19、电容C4、C5、接口J1～J3、信号端子P4。电容C4的一端接VCC，电容C4的另一端与电阻R10的一端连接在一起后连接电容C5的一端，电容C5的另一端与电阻R11的一端连接在一起后同时与电阻R1的一端、电阻R2的一端、J2接口的2脚及U2的1脚相连接。由图3可以看出，电容C4、电阻R10、电容C5及电阻R11构成了信号放大电路2前级部分的二阶有源滤波器。在电阻R10的另一端、电阻R11的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端、J2接口的2脚及U2的2脚连接在一起并接地。U2的3脚同时与电阻R7的一端和电阻R8的一端相连接，电阻R7的另一端连接电阻R9的3脚，电阻R8的另一端和电阻R9的2脚均接地，电阻R9的1脚接V-。U2的5脚接电阻R6的一端，U2的6脚接V+，U2的7脚接V-，U2的8脚同时与电阻R3的一端、电阻R4的一端及J1接口的1、2脚相连接，电阻R6的另一端同时与电阻R18的一端、电阻R19的一端和U3的3脚相连接；电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接电阻R5的3脚，电阻R5的1脚接V+，电阻R5的2脚接V-；电阻R18的另一端与电阻R19的另一端连接在一起并接地。电阻R13的一端同时与电阻R14的一端和U3的2脚相连接，电阻R13的另一端接地。电阻R14的另一端同时与U3的6脚、电阻R15的一端、电阻R16的一端和电阻R17的一端相连接，电阻R15的另一端和电阻R16的另一端连接在一起后与短路套接口J3的1脚相接，电阻R17的另一端接地。短路套接口J3的2脚接信号端子P4的1脚，信号端子P4的2脚与滤波电路3中信号端子P3的2脚相连接，信号端子P4的3脚与滤波电路3中信号端子P3的1脚相连接。

本实施方式的滤波电路3用于滤除信号放大电路2引入的高频噪声，经测试，在通带1kHz～16MHz内，增益起伏很小，对信号的衰减不超过-1dB。如图4所示，本实施方式的滤波电路3为一个七阶无源滤波器，可以视作本实施方式的信号放大电路2的后级部分，其包括信号端子P3～P2、电阻R20～R21、电容C6～C12和电感L1～L6。P3的2脚、电容C6～C9各自的一端、电阻R21的一端并接到P2的2脚。电容C10～C12串接在一起形成的电路的一端同时与电阻R21的另一端、电容C6的另一端、电感L1与电感L2形成的串联电路的一端连接在一起后接P2的1脚。电容C10～C12串接在一起形成的电路的另一端同时与电阻R20的一端、电容C9的另一端、电感L5与电感L6串联后的电路的一端相连接。电阻R20的另一端连接P3的3脚。电感L5与电感L6形成的串联电路的另一端同时与电容C8及电感L3与电感L4形成的串联电路的一端相连接，电感L3与电感L4形成的串联电路的另一端同时与电容C7及电感L1与电感L2形成的串联电路的另一端相连接。

本实施方式的A/D转换电路4，用于对滤波后的电磁辐射信号进行模数转换并将转换后的信号发送至FPGA最小系统，采样率为5M～10MHZ。如图5所示，包括型号为AD9280的模数转换器芯片U6、型号为AD8065的运算放大器芯片U10、型号为Tl072的运算放大器芯片U7A和U7B、电阻R29～R34、电容C23～C30、电解电容EC10、二极管D2和D3及排针J5；U6的27脚同时与电容C38的一端和电阻R30的一端相连接。电容C38的另一端接地，电阻R30的另一端同时与电阻R32的一端及U10的1脚相连接。U6的25脚接地，U6的21脚接U6的26脚后与电容C26的一端、C27的一端一起并接到U7A的3脚。U6的24脚和22脚与电容C24和电容C25形成并联电路，该并联电路的一端连接电容C23的一端，该并联电路的另一端连接电容C28的一端。U6的19、20脚相接并接地。U6的23脚接D3V3。U6的16、17、18脚相接并接地。U6的2、28脚相接并接D3V3。U7A的4脚接-5V，U7A的8脚接+5V。U7A的1、2脚相接后通过电阻R34连接U7B的6脚，U7B的7脚一路通过电阻R33与U7B的6脚连接，另一路通过电阻R32同时与电阻R31的一端、D2正极、D3负极相连接。U7B的5脚接地。U10的5脚接+5V，U10的2脚接-5V。U10的3脚同时与D2负极、D3正极、电阻R28的一端、电阻R29的一端相连接。电阻R28的另一端接地。J5的1脚接电阻R29的另一端，J5的2脚接地。U10的4脚接D2正极、D3负极、R31的一端和R32的另一端。EC10正极接VCC，EC10负极接地。电容C29与C30形成并联电路的一端连接D3V3，另一端接地。电容C23的另一端、电容C28的另一端、电容C38的另一端及电阻R28另一端均接地。

本实施方式的FPGA最小系统，用于首先对从A/D转换电路接收的电磁辐射信号进行去噪处理，然后进行快速傅里叶(Fast Fourier Transformation，FFT)运算，得到各个频点的频谱特性，并进行特征提取用于煤岩动力灾害预测。如图6所示，本实施方式的FPGA最小系统主要包括FPGA芯片U4、时钟电路、复位电路、电源电路和SRAM数据存储电路。本实施方式中FPGA芯片采用的型号是EP4CE15F256。EP4CE15F256型FPGA芯片U4的R9脚接U7的8脚、M1脚通过电阻R36接U8的4脚，EP4CE15F256型FPGA芯片U4的B2、B15、C5、C12、D7、D10、E4、E13、F6、F10、G4、G13、H10、H15、H16、H7～H9、J7～J11、K4、K8、K13、P5、P12、R2、R15、M5、M12脚连接在一起并接地。EP4CE15F256型FPGA芯片U4的G5脚连接通信接口电路6中U9的10脚。EP4CE15F256型FPGA芯片U4的A8脚接通信接口电路6中U9的9脚。EP4CE15F256型FPGA芯片U4的L9、P14、N12、N14、M11脚依次接到U5的1～5脚，U4的L15、K16、K15脚依次接到U5的18～19脚，U4的R12、T13脚依次接U5的39、40脚，U4的R13、L16、L11脚依次接到U5的41、17、6脚。U4的M4、N10、N7脚相接并接地。U4的E3、G3、K3、M3、P4、P7、T1、P10、P13、T16、K14、M14、E14、G14、A16、C10、C13、A1C、4C7脚相接并接3V3；复位电路包括型号为SP708的微处理器监控器U7、按键S2、电阻R35和电容C31，U7的1脚接R35、C31一端，3、4脚相接并接C31另一端和地，R35另一端接S2一端并接3V3，S2另一端接地。时钟电路包括50MHZ有源晶振U8、电容C32和电阻R36，U8的2脚接C32一端并接地，3脚接C32另一端并接3V3。电源电路，包括型号为AMS1117-3.3的稳压器U1、排针J6、开关S1、电容C1与C3、电解电容C2、电阻R12和LED灯D1，U1的1脚接地。电阻R12与LED灯D1串联连接后与电解电容C2和电容C3并联连接，所形成的并联电路的一端连接U1的2脚和3V3，并联电路的另一端接地。HEADER 4的1脚接S1的一端，S1的另一端同时接U1的3脚、+5V和电容C1的一端，电容C1的另一端接地。SRAM数据存储电路为型号为IS61LV25616的片外SRAM芯片U5，U5的12、34脚相接并接地，11、33脚相接并接D3V3，7～9脚依次接U6的5～7脚，10～16脚依次接U6的8～12脚。

本实施方式的通信接口电路6，如图7所示，包括型号为MAX3232的电平转换芯片U9、电解电容EC8、电容C33～C37和UART接口P1。U9的1、3脚接电容C34，U9的4、5脚接电容C35。U9的2脚接电容C36的一端，U9的6脚接电容C37的一端。U9的7脚接P1的2脚，U9的8脚接P1的3脚。U9的15脚接地，U9的16脚同时接电容C33的一端和电解EC8的一端并接3.3V，电容C36的另一端、C37的另一端、EC8的另一端、C33的另一端全部相接并接地。UART接口P1的5脚接地。

本实施方式的信息显示电路7，如图8所示，包括液晶插座J4、电阻R22～R26、电容C13～C22和电解电容EC12。J4的2、4、13、14脚分别接电阻R23～R26的一端。J4的3脚同时接EC12的正极和电阻R22的一端。J4的15脚接电容C13一端并与C3V3B相接。J4的16脚同时接电容C13的另一端、电容C14的一端并接地。J4的17脚接电容C14的另一端。J4的18脚接电容C15的一端，J4的19脚同时接电容C15的另一端和电容C16的一端，J4的20脚接电容C16的另一端。J4的21、22脚接电容C17。J4的23～27脚分别接电容C18～C22的一端。J4的28、29脚相接并接地；电容C18～C22各自的另一端相接并接地。EC12负极接地。电阻R22的另一端接D3V3B。电阻R23～R26另一端依次接到FPGA芯片U4的L1、N1、L2、P1脚。

采用本实施方式的岩体电磁辐射信号采集与处理装置的岩体电磁辐射信号采集与处理方法，如图9所示，包括如下步骤：

步骤1：利用全向天线1对被测区域的电磁辐射信号进行全向采集，并将采集到的电磁辐射信号发送给信号放大电路2；

步骤2：利用信号放大电路2对从全向天线1接收的电磁辐射信号进行放大处理，并将放大后的电磁辐射信号发送给滤波电路3；

步骤3：利用滤波电路3滤除信号放大电路2引入的高频噪声；

步骤4：利用A/D转换电路4对滤波处理后的电磁辐射信号进行模数转换，并将转换后的信号发送至FPGA最小系统；

步骤5：在FPGA最小系统中基于AEEMD-IWT方法对岩体电磁辐射信号进行去噪及分频处理，如图10所示，具体如下：

步骤5.1：设定FPGA最小系统从A/D转换电路4实时接收的原始电磁辐射信号为y(t)；其中y(t)为原始电磁辐射信号的时间序列，t为时间。

步骤5.2：计算y(t)的幅值标准差σ₀；

步骤5.3：利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)算法将y(t)分解成n阶从高频到低频的IMF(Intrinsic Mode Function，固有模态函数)分量imf₁(t)、imf₂(t)、···、imf_k(t)、···、imf_n(t)和1个余项Re(t)，如公式(1)所示，并从前述n阶IMF分量中提取有效高频成分，本实施方式是通过改变信噪比来获取最接近信号高频部分的IMF分量的；

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{imf}}_i\left(t\right)+\mathrm{Re}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中imf_i(t)为y(t)的第i阶固有模态函数分量，i∈[1,n]，代表分解的阶数，从小到大分别对应信号的低频到高频(1K～1MKZ)；Re(t)为残余信号。

步骤5.4：计算y(t)的IMF分量中有效高频成分的幅值标准差σ_h；

步骤5.5：按照公式(2)计算σ_h与σ₀的比值ε；

ε＝σ_h/σ₀ (2)

步骤5.6：首先按照公式(3)选择预添加到y(t)上的辅助白噪声信号的幅值标准差σ_n与σ₀的比值α，然后由公式(4)求出σ_n；

0<α≤ε/3 (3)

α＝σ_n/σ₀ (4)

步骤5.7：根据需要达到的精度，确定期望的信号分解相对误差最大值ε_n(一般取0.01左右)后，依据公式(5)求出集合平均次数M；

M＝(α/ε_n)² (5)

其中ε_n为原始电磁辐射信号y(t)通过添加辅助白噪声后再次进行经验模态分解的最大相对误差，M为预添加辅助白噪声信号的集合平均次数。

步骤5.8：将满足幅值标准差σ_n和集合平均次数M条件的辅助白噪声信号添加到信号y(t)中，得到新信号f(t)；

其中f(t)为采集的原始电磁辐射信号y(t)通过添加由步骤9产生的辅助白噪声信号后所得到的新的信号。

步骤5.9：利用EMD算法将信号f(t)分解成为m阶从高频到低频的IMF分量IMF₁(t)、IMF₂(t)、···、IMF_k(t)、···、IMF_m(t)和余项Re′(t)，如式(6)所示。

$f\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)+{\mathrm{Re}}^{\&prime;}\left(t\right)---\left(6\right)$

其中：IMF_i(t)为f(t)的第i阶固有模态函数分量，i∈[1,m]，代表分解的阶数，从小到大分别对应信号的低频到高频(1K～1MKZ)；Re′(t)为残余信号。

步骤5.10：根据连续均方差准则确定分界点k，将信号f(t)所分解的从高频到低频的m阶IMF分量划分为两部分：以噪声为主导模态的前k个IMF分量部分和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量部分；

$k=\underset{1\&le;k\&le;m-1}{\arg }\min \&lsqb;CMSE\left(f\right(t\left)\right)\&rsqb;+1---\left(7\right)$

其中IMF_j(t)为固有模态函数，t_i为离散时间，M′为信号的长度。

步骤5.11：利用式(8)所示的IWT(改进小波阈值去噪)算法对信号f(t)的以噪声为主导模态的前k个IMF分量进行去噪处理，可得到式(9)所示的去噪后的以噪声为主导模态分量的IMF重构信号f′_k(t)；

${\mathrm{IMF}}_i^{\&prime;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)\right)\&lsqb;\left|{\mathrm{IMF}}_i\right|-{\mathrm{qTe}}^{\left(1-q\right)\left(T-\left|{\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)\right|\right)}\&rsqb;& \left|{\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)\right|\&GreaterEqual;T\\ \begin{array}{cc}0& \left|{\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)\right|<T\end{array}& \left(i=1,2,\mathrm{3...}k\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，q为调整因子；第i个分量IMF_i(t)的阈值N′为IMF_i(t)信号长度，σ_j是IMF_i(t)所含噪声的标准方差。

$f_k^{\&prime;}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{\mathrm{IMF}}_i^{\&prime;}\left(t\right)---\left(9\right)$

其中：f′_k(t)为信号f(t)前k个噪声为主导模态的IMF分量IMF_i(t)采用改进小波阈值去噪算法处理后的IMF重构信号。

步骤5.12：将步骤5.11得到的去噪后的以噪声为主导模态的前k个IMF分量的重构信号f′_k(t)与信号f(t)的以信号为主导模态的后m-k个IMF分量及余项进行重构，即将f′_k(t)与IMF_k+1(t)、···、IMF_m(t)、R_m(t)进行信号重构，得出最终重构信号f″(t)，如式(10)所示。

$f^{\&prime;\&prime;}\left(t\right)=f_k^{\&prime;}\left(t\right)+\underset{i=k+1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{IMF}}_i\left(t\right)+R_m\left(t\right)---\left(10\right)$

其中：f″(t)为基于自适应集合经验模态分解与改进小波阈值去噪算法对原始电磁辐射信号为y(t)进行去早处理后的重构信号；

步骤5.13：对重构后的信号再进行FFT(Fast Fourier Transformation,FFT)快速傅里叶分频得到1KHZ～1MHZ范围内所要重点监测的不同频率点(如5KHZ、100KHZ、200HZ等)的电磁辐射信号幅值，及全频段(1K～1MKHZ)不同时间点的电磁辐射信号幅值。

最终，不同时段的电磁辐射的幅值及不同频率点的幅值数据均显示在显示电路7上，作为预测参考，实时监测。同时数据经通信接口6传至上位机后，上位机软件再通过对各频率段电磁辐射信号特征及幅值的统计判定电磁辐射前兆信号变化规律进而对动力灾害进行预测预报。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置，其特征在于：该装置由全向天线、信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路和FPGA最小系统构成；

所述全向天线由第一磁棒天线、第二磁棒天线、第一可调双联电容、第一磁环变压器、第二可调双联电容、第二磁环变压器和第三磁环变压器构成；

所述第一可调双联电容同时与所述第一磁棒天线和所述第一磁环变压器的一次侧相连接；所述第二可调双联电容同时与所述第二磁棒天线和所述第二磁环变压器的一次侧相连接；所述第一磁环变压器的二次侧和所述第二磁环变压器的二次侧同时与所述第三磁环变压器的一次侧相连接；所述第三磁环变压器的二次侧与所述信号放大电路的输入端相连接；所述信号放大电路的输出端连接所述滤波电路的输入端；所述滤波电路的输出端连接所述A/D转换电路的输入端；所述A/D转换电路的输出端连接FPGA最小系统；

所述FPGA最小系统用于对从A/D转换电路接收的电磁辐射信号进行去噪和分频处理，其进一步包括：

原始电磁辐射信号接收模块，用于从A/D转换电路实时接收原始电磁辐射信号，并发送给信号幅值标准差计算模块和信号分解与提取模块；

信号分解与提取模块，利用EMD算法将原始电磁辐射信号分解为从高频到低频的n阶IMF分量并从中提取出原始电磁辐射信号的有效高频成分并发送至信号幅值标准差计算模块；利用EMD算法将新信号分解为从高频到低频的m阶IMF分量并发送给信号划分模块；

信号幅值标准差计算模块，计算原始电磁辐射信号的幅值标准差σ₀；计算原始电磁辐射信号中有效高频成分的幅值标准差σ_h；计算σ_h与σ₀的比值ε；根据σ₀和ε，计算预添加辅助白噪声信号的幅值标准差σ_n；根据预设的原始电磁辐射信号EMD分解的相对误差最大值ε_n，求出集合平均次数M；

噪声添加模块，将满足幅值标准差σ_n和集合平均次数M条件的辅助白噪声信号添加到原电磁辐射始信号中，得到新信号，并将该新信号发送到信号分解与提取模块；

信号划分模块，根据连续均方差准则确定分界点k后，将新信号所分解的从高频到低频的n阶IMF分量划分为两部分：以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量；

信号去噪模块，利用IWT算法对以噪声为主导模态的前k个IMF分量进行去噪处理；

信号重构模块，对去噪处理后的以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量进行重构，得到重构后的电磁辐射信号；

信号分频模块，对重构后的电磁辐射信号进行FFT分频处理，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值。

2.根据权利要求1所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置，其特征在于：所述第一磁棒天线的一端与所述第一可调双联电容中第一电容的一端连接在一起后连接第二电容的一端，所述第一磁棒天线的另一端与所述第一电容的另一端连接在一起后接地；所述第二电容的另一端与所述第一可调双联电容中第三电容的一端连接在一起后同时连接第一微调电容的一端和第一磁环变压器一次侧的一端，第三电容的另一端、第一微调电容的另一端和第一磁环变压器一次侧的另一端连接在一起并接地。

3.根据权利要求1所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置，其特征在于：所述第二磁棒天线的一端与第二可调双联电容中第四电容的一端连接在一起后连接第五电容的一端，第二磁棒天线的另一端与第二可调双联电容中第四电容的另一端连接在一起后接地；第五电容的另一端与第二可调双联电容中第六电容的一端连接在一起以后连接第二微调电容的一端和第二磁环变压器一次侧的一端，第六电容的另一端、第二微调电容的另一端和第二磁环变压器一次侧的另一端连接在一起并接地。

4.根据权利要求1所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置，其特征在于：所述第一磁棒天线与第二磁棒天线呈十字交叉放置。

5.采用权利要求1所述的岩体电磁辐射信号采集与处理装置的岩体电磁辐射信号采集与处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：利用全向天线对被测区域的电磁辐射信号进行全向采集，并将采集到的电磁辐射信号发送给信号放大电路；

步骤2：利用信号放大电路对从全向天线接收的电磁辐射信号进行放大处理，并将放大后的电磁辐射信号发送给滤波电路；

步骤3：利用滤波电路滤除信号放大电路引入的高频噪声；

步骤4：利用A/D转换电路对滤波处理后的电磁辐射信号进行模数转换，并将转换后的信号发送至FPGA最小系统；

步骤5：在FPGA最小系统中基于AEEMD-IWT方法对岩体电磁辐射信号进行去噪及分频处理看，得到不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段内不同时间点的电磁辐射信号幅值。

6.根据权利要求5所述岩体电磁辐射信号采集与处理方法，其特征在于：所述步骤5包括如下步骤：

步骤5.1：设定FPGA最小系统从A/D转换电路实时接收的原始电磁辐射信号为y(t)；其中y(t)为原始电磁辐射信号的时间序列，t为时间；

步骤5.2：计算y(t)的幅值标准差σ₀；

步骤5.3：利用EMD算法将y(t)分解成n阶从高频到低频的IMF分量imf₁(t)、imf₂(t)、···、imf_k(t)、···、imf_n(t)和1个余项Re(t)，并从y(t)的n阶IMF分量中提取有效高频成分；

步骤5.4：计算y(t)的IMF分量中有效高频成分的幅值标准差σ_h；

步骤5.5：计算σ_h与σ₀的比值ε；

步骤5.6：首先按照公式(1)选择预添加到y(t)上的辅助白噪声信号的幅值标准差σ_n与σ₀的比值α，然后由公式(2)求出σ_n；

0<α≤ε/3 (3)

α＝σ_n/σ₀ (4)

步骤5.7：根据需要达到的精度，确定期望的信号分解相对误差最大值ε_n后，再根据ε_n和α求出集合平均次数M；

步骤5.8：将满足幅值标准差σ_n和集合平均次数M条件的辅助白噪声信号添加到信号y(t)中，得到新信号f(t)；

步骤5.9：利用EMD算法将信号f(t)分解成为m阶从高频到低频的IMF分量IMF₁(t)、IMF₂(t)、···、IMF_k(t)、···、IMF_m(t)和余项Re′(t)；

步骤5.10：根据连续均方差准则确定分界点k，将信号f(t)的m阶IMF分量划分为两部分：以噪声为主导模态的前k个IMF分量和以信号为主导模态的后n-k个IMF分量；

步骤5.11：利用IWT算法对信号f(t)的以噪声为主导模态的前k个IMF分量进行去噪与重构处理；

步骤5.12：将步骤5.11得到的去噪后的以噪声为主导模态的前k个IMF分量的重构信号与信号f(t)的以信号为主导模态的后m-k个IMF分量及余项进行重构；

步骤5.13：对重构后的信号再进行FFT分频处理，得到电磁辐射信号频段范围内所要重点监测的不同频率点的电磁辐射信号幅值，及全频段不同时间点的电磁辐射信号幅值。