[发明专利]一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法

说明书

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；