一种岩体电磁辐射信号采集与处理装置及方法制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案：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σh；计算σh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σn；根据预设的原始电磁辐射信号EMD分解的相对误差最大值εn，求出集合平均次数M；噪声添加模块，将满足幅值标准差σn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)、···、imfk(t)、···、imfn(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σh；步骤5.5：计算σh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σn与σ0的比值α，然后由公式(2)求出σn；0<α≤ε/3 (3)α＝σn/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εn后，再根据εn和α求出集本文档来自技高网...

【技术保护点】
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σh；计算σh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σn；根据预设的原始电磁辐射信号EMD分解的相对误差最大值εn，求出集合平均次数M；噪声添加模块，将满足幅值标准差σn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。...

【技术特征摘要】
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σh；计算σh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σn；根据预设的原始电磁辐射信号EMD分解的相对误差最大值εn，求出集合平均次数M；噪声添加模块，将满足幅值标准差σn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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鑫，杨桢，乔和，徐朗铭，矫雪，仝泽仁，辛元，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21