弹性波回波信号中典型地质构造特征提取与分类方法研究

发布时间：2020-06-27 01:19

【摘要】：本课题源于导师的国家自然科学基金项目“基于连续震源的煤层反射式槽波精细探测理论研究”,旨在完成对弹性波回波的特征提取与分类识别,为基金项目中弹性波在实际煤系地层中的探测提供基本理论支持。利用小波包分解与统计分析相结合的特征提取算法对地质回波信号进行特征提取。该算法首先采用小波包分解方法对地质回波信号进行四尺度分解;然后结合统计分析方法计算小波包分解后第四尺度上的16个小波包系数的奇异值、标准差和最大值,共求得48维小波包系数统计特征并由此构成地质回波信号的特征空间。为了尽可能地提高地质回波信号分类识别的效率和准确率,本文利用遗传算法优化BP神经网络的特征选择和分类算法对地质回波信号进行特征分类。通过遗传算法对地质回波信号进行特征选择,将48维地质回波信号特征降至26维。同时采用遗传算法对误差反向传播神经网络分类器的权值和阈值进行优化,将降维得到的地质回波信号特征输入到分类器中进行训练和预测,从而实现对中国地质科学院地质科学数据共享网数据库中四类地质信号:断层、陷落柱、富水区和采空区的分类。测试集的识别准确率达到了 94.17%,平均灵敏度、平均特异度和平均阳性预测值分别为94.17%、98.28%、95.80%。最后,通过基于STM32F103RCT6的地质回波信号采集实验系统对四类回波信号进行采集,并用其进行特征提取和分类算法验证。识别准确率达到了97.00%,平均灵敏度、特异度及阳性预测值分别为97.00%、98.99%和97.08%。实验结果表明本文采用的特征提取算法能够有效地提取稳定的地质回波信号特征,并通过遗传算法优化的神经网络分类器实现了对四类地质回波信号的高精度分类,证明本文设计的基于遗传算法优化BP神经网络的分类方法可以有效地用于地质特征的识别,对于煤田勘探、地层探测具有重要的意义。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP18;P631.4
【图文】：

可能会影响导水通道或毁坏顶底板稳定，危害采煤作业安全等。所逡逑以可以在巷道迎头面上设置弹性波发射点和接收点，根据接收点接收到的弹性逡逑波对掘进前方存在的地质构造进行精确超前预报。图２．１为弹性波回波接收示逡逑意图。逡逑逦邋ｍ逡逑接＾＾逦—逦图２．１弹性波回波接收示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｅｌａｓｔｉｃ邋ｗａｖｅ邋ｅｃｈｏ邋ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑弹性波回波的产生机理是：在发射端震源发射弹性波信号，源信号透过不逡逑同煤层介质接触到目标界面后反射，连同目标表面的多点散射，在散射中心交逡逑互后再穿过各个煤层界面，弹性波经多界面煤层不断反射，多次与顶板、底板逡逑的反射回波和外界的噪声千扰一起进入到接收端接收机中。逡逑对接收机接收到的两路信号分别定义为参考信号和回波信号，两路信号是逡逑８逡逑

弹性波回波信号特性分析及其预处理逡逑介质均匀且各向同性情况下，如果入射角很小就可以不考虑波的分裂，多径传逡逑播现象是层界面反射形成的，如图２．５所示。逡逑：＼Ａ／＼￣逡逑图２．５多径传播现象逡逑Ｆｉｇ．邋２．５邋Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ逡逑２．１．２弹性波衰减逡逑弹性波在介质中传播时，能量会随着弹性波的传播而不断的衰减。引起能逡逑量衰减的原因有很多种，因此按照不同的能量损失因素，弹性波衰减可分为几逡逑种不同的类型：逡逑（１）介质吸收衰减逡逑弹性波在传播过程中，由于地层介质的非完全弹性，会造成弹性波能量因逡逑介质的吸收作用而衰减，从而引起弹性波振幅的减小。介质吸收衰减是弹性波逡逑衰减的重要因素之一。假设围岩一煤层一围岩为三层对称模型并且各层具有均逡逑匀各向同性，有一个沿轴传播平面谐波，其位移为：逡逑ｕ（ｘ，ｔ）邋＝邋＾（ｘ）ｅｘｐ（ｊ（ｆｃｃ－ｍ＾／）｝逦式（２．６）逡逑式（２．６）中，为波的振幅，Ａ为无损耗时的波数。逡逑波从ｘ传播到ｘ邋＋Ａｘ

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本文编号：2731144