三維成像虛擬技術(shù)在礦山地質(zhì)信息采集中的應(yīng)用

沈 洋

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213000）

隨著各項技術(shù)的融合發(fā)展，三維成像虛擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到城市規(guī)劃、軍事演練、虛擬旅游、娛樂仿真等領(lǐng)域中，通過三維成像處理，實現(xiàn)對復(fù)雜、危險、機密或者不穩(wěn)定區(qū)域、場景以及地點的三維場景再現(xiàn)，為其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集工作，提供更有價值的參考方向。而礦山中富含豐富的煤炭以及金屬資源，一個富礦可以為社會發(fā)展，提供絕對的資源支持[1]。但由于各個地區(qū)的地質(zhì)條件不一，氣候類型、水文類型、環(huán)境風(fēng)貌等自然環(huán)境差異性較大，因此礦山開采之前的地質(zhì)信息采集工作，是十分困難的，危險復(fù)雜的地勢地貌，給礦山勘探工作帶來了巨大的工作難度，因此為了確保礦山地質(zhì)信息采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、提升數(shù)據(jù)采集效率、保證礦山施工安全，研究三維成像虛擬技術(shù)，在礦山地質(zhì)信息采集中的應(yīng)用[2]。已知目前的礦山類型中，貧礦多、富礦少、埋藏深、地理條件不佳，因此采集地質(zhì)信息十分困難，而三維成像虛擬技術(shù)，通過攝像頭可以遠(yuǎn)程采集基本畫面，并根據(jù)各項基本參數(shù)，自動生成三維實景，工作人員可以根據(jù)三維效果，分析礦山地質(zhì)狀態(tài)，以此制定符合開采要求的開采流程，為保護(hù)施工安全和人員安全，提供更可靠的技術(shù)支持；為國家的探采結(jié)合方式，提供了一項更好的支持技術(shù)。因此以三維成像虛擬技術(shù)的特點為研究依據(jù)，分析該技術(shù)在礦山地質(zhì)信息采集中的應(yīng)用方法。

1 選擇礦山地質(zhì)信息采集設(shè)備

礦山地質(zhì)信息采集的過程中，首先需要根據(jù)礦山的情況、檢測要求等因素選擇合適類型、尺寸和頻率的探頭。探頭類型分為非聚焦探頭和聚焦探頭。將三個Φ3mm的人工平底孔，均勻的分布在厚度為28mm的鍛件試塊上，其孔軸線與所在的試塊夾角呈現(xiàn)出70°、80°和90°，試塊的斜角分別為20°、10°、0°，所鉆孔的深度為5mm。利用2.5MHz的聚焦探頭與非聚焦探頭來對試塊進(jìn)行垂直探傷，利用這種方法進(jìn)行進(jìn)準(zhǔn)探測，調(diào)整兩種探頭所安裝距離，從而使得相同水層距離、范圍以及增益條件參數(shù)。在各種參數(shù)不變的情況下，依次檢測傾斜角為10°和20°的平底孔，將所對應(yīng)的波高進(jìn)行實時記錄。根據(jù)兩種探頭的檢測數(shù)據(jù)對比，并已知非聚焦探頭所回波所在高度數(shù)據(jù)為0，但是這時探頭是無法檢測到斜角為20°的人工平底孔缺陷，但在聚焦頭的聲能相對較為集中時，斜角為20°的時，仍能有較高的回波高度，經(jīng)計算，其回波高度71%。實驗結(jié)果表明，當(dāng)平底孔的傾斜角度增加時，盡管聚焦探針的回波高度減小，但速度低于未聚焦探針的回波高度。實際上，由于常常不能檢測出缺陷的方向，因此可以使用聚焦傳感器來減少缺陷的取向?qū)z查結(jié)果的影響。

然后分別用非聚焦探頭和聚焦探頭，掃查同一個內(nèi)部有缺陷的試樣，采用相同參數(shù)，即掃描范圍、掃描間距、水層厚度等條件相同。受到焦柱的影響，聚焦探頭靈敏度區(qū)域受到限制，一次掃描不能覆蓋深度方向上的所有缺陷，因此必須調(diào)整與水層的距離，并用不同焦距替換探針以掃描所有缺陷。為了檢測不同深度的缺陷，應(yīng)使用不同焦距的聚焦探頭。但是，非聚焦探頭具有較寬的傳播角度和較大的掃描區(qū)域，可以檢測大多數(shù)缺陷。因此，非聚焦的探針和聚焦的探針具有通過浸入水中進(jìn)行檢測的優(yōu)點：非聚焦的探針具有大的掃描面積；聚焦探頭具有集中的聲能，并且對缺陷的方向不敏感。在礦山地質(zhì)信息采集時，由于空間大、各種因素的不確定等原因，可先用非聚焦探頭“初探”，再用聚焦探頭“復(fù)探”[4]。

探針尺寸是指壓電探針板的尺寸。 更大的板尺寸意味著入射的超聲能量會更高，并且聲束將具有良好的方向性。但是對于聚焦探頭，隨著板尺寸的增加，探頭焦柱的長度會變短，根據(jù)公式( 1 )可驗證，這對缺陷檢測不利，所以選擇適合的晶片尺寸對礦山地質(zhì)信息采集尤為重要。因此依靠下列計算公式，為礦山地質(zhì)信息采集，選擇適合的晶片尺寸：

公式（1）中：L表示焦柱長度；F表示水中焦距；D表示晶片直徑；λ表示波長。探頭頻率影響三維成像過程中，聲波繞射和衰減。在一定的條件下，聲波傳播時，會繞過障礙物或通過小孔后擴(kuò)展傳播，傳播距離越遠(yuǎn)，介質(zhì)中超聲波能量會越弱。探頭頻率越高，能檢測到的缺陷越小，頻率越高，衰減越大，聲能的損失也越大，這對于檢測是不利的[5]。因此，應(yīng)根據(jù)測試需要選擇合適頻率的探頭，確保能檢測到要求的最小缺陷，且衰減較小。該檢驗結(jié)果據(jù)公式(2)可驗證：

公式中：1P表示晶片的起始聲壓；P表示聲束軸線上距晶片X處的聲壓；D表示晶片直徑；λ表示介質(zhì)中聲波的波長；X表示超聲波傳播距離。α為衰減系數(shù)，散射衰減1α和吸收衰減α2之和為衰減系數(shù)，其中：

公式中：f表示聲波頻率；1C表示材料吸收系數(shù)；C2、3C為散射系數(shù)；F表示材料各項異性因素；d表示晶粒直徑[6]。在上述計算過程中，選擇了聚焦探針。 當(dāng)樣品較厚時，焦點柱更靠近檢測表面，并且在采礦地質(zhì)中，聲波路徑較大時會出現(xiàn)更多缺陷。因此，有必要選擇焦距長，低頻，芯片直徑小的探針。

2 布置三維成像模型正演測線設(shè)計礦山成像模型

已知最接近實際情況要求下，可以采用回線源激發(fā)瞬變場，由此布置三維時域，通過有限差分正演，取得正演數(shù)據(jù)。設(shè)置電磁回線發(fā)射框為150m×150m，回線發(fā)射框內(nèi)間隔相同的距離設(shè)置測線，發(fā)射電流為1A，每條測線上的30個測點，形成三維成像模型正演測線。以實際礦山真實地層為基礎(chǔ)，在完成MIMO雷達(dá)成像的過程中，由于干擾特性，波形設(shè)計和時空自適應(yīng)處理，發(fā)射波形的自相關(guān)和互相關(guān)會對雷達(dá)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 但是，常規(guī)的雷達(dá)雜波抑制是2D協(xié)同處理，需要補償與距離相關(guān)的雜波，并且圖像質(zhì)量受目標(biāo)的軌跡和方向限制，無法有效實現(xiàn)MIMO雷達(dá)成像。所以我們利用基于三維虛擬現(xiàn)實的MIMO雷達(dá)成像技術(shù)，設(shè)計分析礦山成像模型[7]。

假設(shè)MIMO雷達(dá)發(fā)射接收陣列均為線陣，同時成直線沿X軸排布，如果目標(biāo)大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過雷達(dá)信號的波長，采用匹配濾波器，對去載頻回波信號進(jìn)行波形解相關(guān)濾波的處理方法。在高頻發(fā)射的過程中，含有許多個散射中心的目標(biāo)，將其分成若干信號以實現(xiàn)雜波抑制，也就是MIMO雷達(dá)捕捉的一維距離像，實現(xiàn)MIMO雷達(dá)三維自適應(yīng)處理，完成回波運動的補償，目標(biāo)近似可以通過點散射模型來描述。 通常，弱的散射中心回波對圖像影響很小。然后有必要抑制來自雷達(dá)的干擾并消除平移干擾，以使回波能夠滿足本次開發(fā)模型的要求。最后，MIMO雷達(dá)三維成像技術(shù)應(yīng)用下，根據(jù)單次快拍成像的距離向分辨率，獲取相位的二維Fourier轉(zhuǎn)換，在兩個方向的方位分辨率，在Fourier的X軸方向變換分析過程中，X軸數(shù)值大于等于的數(shù)據(jù)即可分辨。完成雜波抑制后，對于所有距離單元，均沿XOY平面進(jìn)行二維Fourier轉(zhuǎn)換，獲取目標(biāo)的“距離－X方位－Y方位”三維立體像，將其映射至XOY平面、YOZ平面以及XOZ平面中，即可獲取目標(biāo)成像的三維成像模型，實現(xiàn)MIMO雷達(dá)成像[8]。

3 基于虛擬技術(shù)實現(xiàn)三維成像

模型建立完成，根據(jù)三維彩色全息理論，利用傅里葉光學(xué)原理，基于虛擬技術(shù)實現(xiàn)三維成像。從光的傳播角度分析，首先需要將若干幅圖形，分成相同大小的子圖形，而由于子圖形較小，光從物體到記錄面的菲涅耳衍射，在經(jīng)過較長的傳播距離后，菲涅耳衍射光場可以轉(zhuǎn)化成夫瑯禾費光場，因此通過分區(qū)域分幅的方式，利用傅里葉光學(xué)手段，利用遠(yuǎn)場變換每個子圖形，獲得夫瑯禾費光場分布。按視角列出所有對應(yīng)子圖形的夫瑯禾費分布，再采用SLM輸入這種按不同視角排列的夫瑯禾費光場分布。由于傅立葉變換在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面中具有平移不變性，因此使用其并行處理的特性來獲得鏡頭前焦平面上各個位置的弗勞恩霍夫光場分布的特性。 薄片的變換同時在透鏡的后焦平面上提供了從不同角度的圖像再現(xiàn)[9]。然后在透鏡后焦面上，引入?yún)⒖脊膺M(jìn)行干涉記錄，實現(xiàn)多視角圖像的干涉記錄。因為數(shù)據(jù)量巨大，所以采用分解、拼接制作的解決方法。具體操作過程如下：

用計算機虛擬的三維圖像處理，獲取3D對象的透視數(shù)字圖像。然后對上面的圖像進(jìn)行分色分割，依次拍攝每個分量圖像的第一張圖像，并使用傅立葉迭代算法獲得輔助圖像的弗勞恩霍夫衍射光場分布。在白光照射時，不同波長光的狹縫像的位置不同，通過迭代算法提取具有臺階的位相信息，并將灰色圖像編碼，將灰度圖像排成一列，此時會在不同的狹縫像位置，看到不同的三維影像，即可以形成其中一組狹縫形成子圖，圖像分割必須保證每個子圖的大小、像素均相同。按照上述相同步驟，重復(fù)上述操作過程，分別進(jìn)行編碼以便獲得其他的狹縫。利用空間光調(diào)制器，同時顯示所獲得的所有狹縫。照射空間光調(diào)制器，需要采用擴(kuò)束的平行激光，將空間光調(diào)制器放在傅立葉變換透鏡的前焦平面上，通過傅立葉變換透鏡進(jìn)行逆變換，將全息干板放在透鏡的后焦平面上，注入?yún)⒖脊獠⒏蓴_物體的光波，在不同視角的n個弗朗與夫光場分布，形成出n個按視角方位重疊的分區(qū)子圖像，把這n個包含了顏色和視角信息的子圖全息圖，全部記錄下來。重復(fù)上述過程，所有子圖全部記錄完畢，并制作完成三維成像[10]。至此通過上述三個步驟的研究與操作，實現(xiàn)在礦山地質(zhì)信息采集中，三維成像虛擬技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

三維成像虛擬技術(shù)經(jīng)過多年的研究與優(yōu)化，取得了不錯的成果。此次研究通過應(yīng)用該技術(shù)，將礦山地質(zhì)信息采集工作的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性，又提升了一個新高度。但三維成像虛擬技術(shù)在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用過程中，還有一定的問題，因此在今后的研究工作中，可以在波場反變換時，離散化積分方程，通過大量的離散節(jié)點，增強求和結(jié)果與積分結(jié)果之間的相似程度，為數(shù)據(jù)采集提供更加精準(zhǔn)的控制技術(shù)。