基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法技术

本发明专利技术公开了一种基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，涉及矿山煤岩体破裂失稳的监测预警技术领域。参照岩石消除了时间背景噪声对承载岩石红外辐射温度的影响，采用Ostu阈值分割和自适应中值滤波方法消除了承载岩石红外辐射温度矩阵空间背景噪声，计算得到了承载岩石瞬时损伤红外温度响应矩阵，有效提取了承载岩石裂纹发育导致的红外辐射信息响应特征；计算差分损伤红外温度响应矩阵的灰度共生矩阵纹理特征值，计算得到能量纹理特征偏差值，确定岩石损伤破裂前兆的下限阈值及上限阈值。能够准确有效地识别了岩石损伤破坏的初始前兆和临界前兆，具有良好的工程应用价值，对岩体工程及自然地质灾害的防治具有重要意义。重要意义。重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法


[0001]本专利技术涉及矿山煤岩体破裂失稳的监测预警
，具体涉及一种基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法。

技术介绍

[0002]煤岩在外载荷作用下，其内部微裂纹会逐渐萌生，成核，并扩展形成宏观裂纹，进而引发岩石破坏失稳。岩石材料的损伤破坏是一个热力学过程，即岩石与外界能量传递和转化的过程，如弹性能、损伤能、热能、声能等。其中裂纹扩展过程中裂纹尖端产生的位错增殖和散热、内部微裂纹和颗粒产生的摩擦热，以及局部破坏时其碎片间摩擦释放的热能，会使岩石表面红外辐射信息发生变化。因此，岩石表面红外辐射信息与其内部微裂纹演化过程密切相关，这为利用红外辐射识别岩石破坏前兆提供了可能。相比其他方法，红外辐射监测技术具有实时性、无损性及非接触性等优点，并且操作方法简单，是识别岩石破坏失稳前兆的理想手段。
[0003]为此现有技术中包括诸如岩石平均红外辐射温度(AIRT)，差分红外辐射方差(VSMIT)，高温点比例因子(HTPSF)，红外辐射b值(b
IR
‑
value)，以及临界慢化自相关系数等红外辐射特征参数，用于识别承载岩石破坏前兆。但由于岩石内部微裂纹导致的表面红外辐射温度较为微弱，上述特征参数在计算过程中包含了大量干扰信息，因此仅对岩石表面宏观裂纹导致的红外信息变化敏感，对于脆性岩石的前兆识别时效性难以保证。此外，现有岩石破坏预警方法中往往通过人为判断前兆时刻，尚缺少统一有效的前兆阈值，容易发生漏判误判。因此，亟需开发一种准确有效的岩石损伤破坏前兆红外辐射动态识别方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足之处，提供一种基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，其对岩石损伤破裂红外辐射预警方法中存在的前兆响应敏感、能够实时进行动态识别。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，包括如下步骤：
[0007]S1：承载岩石损伤破坏过程中的红外辐射时间背景噪声校正：在承载岩石旁设置参照岩石，利用红外热像仪同时检测承载岩石和参照岩石红外辐射数据，采用中值滤波消除承载岩石和参照岩石红外辐射数据的空间噪声，得到按照时间序列排列的承载岩石原始红外温度矩阵和参照岩石原始红外温度矩阵；
[0008]利用参照岩石平均红外辐射温度去除承载岩石红外辐射信息的时间背景噪声，得到全时刻的时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵；平均红外辐射温度为监测过程种每一帧的温度均值；
[0009]S2：将所有时刻的承载岩石红外温度矩阵减去初始时刻的承载岩石红外温度矩阵，并取绝对值，得到承载岩石红外温度增量矩阵；
[0010]S3：采用阈值分割方法从承载岩石红外温度增量矩阵中分离损伤破裂导致的承载岩石红外辐射响应信息增量，得到承载岩石损伤红外温度增量矩阵；
[0011]S4：消除承载岩石损伤红外温度增量矩阵残余空间背景噪声，并计算得到损伤红外温度响应矩阵；
[0012]S5：将承载岩石损伤红外温度响应矩阵，进行前向一阶差分运算，得到差分损伤红外温度响应矩阵，之后，以0℃为阈值，对差分损伤红外温度响应矩阵进行分割，计算得到瞬时损伤红外温度响应矩阵；
[0013]S6：通过瞬时损伤红外温度响应矩阵的灰度共生矩阵，计算承载煤岩瞬时损伤红外温度响应矩阵的能量纹理特征值；
[0014]S7：对承载岩石能量纹理特征值累积求和，得到累积能量纹理特征值，再通过累积能量纹理特征值和时间进行差运算从而计算出承载岩石累积能量纹理特征偏差值；
[0015]S8：对承载岩石累积能量纹理特征偏差值求导，得到能量纹理特征偏差值，并通过将岩石损伤破裂过程中能量纹理特征偏差与前兆阈值的进行比较，将首次超出前兆阈值上限的时刻判断为岩石破坏前兆从而实现承载岩石损伤破裂前兆进行识别。
[0016]进一步，步骤S1中承载岩石红外辐射信息时间背景噪声校正方法如下：
[0017]计算参照岩石平均红外辐射温度，公式如下：
[0018][0019]式中，AIRT
r
为参照岩石平均红外辐射温度，OITM
r
为参照岩石原始红外温度矩阵第i行第j列元素，m和n分别为该矩阵行、列数，t为任意时刻；利用参照岩石平均红外辐射温度对承载岩石原始红外温度矩阵进行时间背景噪声校正，得到时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵，记为承载岩石红外温度矩阵DITM
s
，公式如下：
[0020]DITM(t)＝OITM
s
(t)
‑
AIRT
r
(t)
[0021]式中，DITM为时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵。
[0022]进一步，步骤S2中承载岩石红外温度增量矩阵计算公式为：
[0023]ΔDITM(t)＝|DITM(t)
‑
DITM(t0)|
[0024]式中，ΔDITM为承载岩石红外温度增量矩阵，t0属于(t)为初始时刻。
[0025]进一步，步骤S3中损伤红外温度增量矩阵计算方法为：采用大津法Otsu方法计算每一时刻DITM损伤红外响应信息的分割阈值，利用该阈值对承载岩石红外温度矩阵进行阈值分割，得到损伤导致的承载岩石红外辐射响应信息增量，其计算公式如下
[0026][0027]式中，DTCM为损伤红外温度增量矩阵，Th为损伤红外响应信息的分割阈值。
[0028]进步一步，步骤S4中承载岩石损伤红外温度增量矩阵残余空间背景噪声消除方法为：利用自适应中值滤波器对承载岩石损伤红外温度增量矩阵进去滤波处理，去除残余空间背景噪声，公式如下：
[0029]ΔDTCM(t)＝admedian(DTCM(t),9)
[0030]式中，ΔDTCM为自适应中值滤波后的损伤红外温度增量矩阵，admedian为自适应
中值滤波器，“9”为自适应中值滤波器的最大窗口值。
[0031]进一步，步骤S4中损伤红外温度响应矩阵计算方法为：以0℃为阈值，将自适应中值滤波后的损伤红外温度增量矩阵二值化处理，并与损伤红外温度增量矩阵相乘，得到损伤红外温度响应矩阵，记为DIRTM，公式如下：
[0032][0033]IRDM(t)＝BDTCM(t)
×
DTCM(t)
[0034]式中，BDTCM为二值化处理后的损伤红外温度增量矩阵；IRDM为承载岩石损伤红外温度响应矩阵。
[0035]进一步，步骤S5中瞬时损伤红外温度响应矩阵计算公式如下：
[0036]ΔIRDM(t)＝IRDM(t)
‑
IRDM(t
‑
1/f)
[0037][0038]式中，ΔIRDM为差分损伤红外温度响应矩阵，f为监测频率，IIRDM为瞬时损伤红外温度响应矩阵。
[0039]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：承载岩石损伤破坏过程中的红外辐射时间背景噪声校正：在承载岩石旁设置参照岩石，利用红外热像仪同时检测承载岩石和参照岩石红外辐射数据，采用中值滤波消除承载岩石和参照岩石红外辐射数据的空间噪声，得到按照时间序列排列的承载岩石原始红外温度矩阵和参照岩石原始红外温度矩阵；利用参照岩石平均红外辐射温度去除承载岩石红外辐射信息的时间背景噪声，得到全时刻的时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵；平均红外辐射温度为监测过程种每一帧的温度均值；S2：将所有时刻的承载岩石红外温度矩阵减去初始时刻的承载岩石红外温度矩阵，并取绝对值，得到承载岩石红外温度增量矩阵；S3：采用阈值分割方法从承载岩石红外温度增量矩阵中分离损伤破裂导致的承载岩石红外辐射响应信息增量，得到承载岩石损伤红外温度增量矩阵；S4：消除承载岩石损伤红外温度增量矩阵残余空间背景噪声，并计算得到损伤红外温度响应矩阵；S5：将承载岩石损伤红外温度响应矩阵，进行前向一阶差分运算，得到差分损伤红外温度响应矩阵，之后，以0℃为阈值，对差分损伤红外温度响应矩阵进行分割，计算得到瞬时损伤红外温度响应矩阵；S6：通过瞬时损伤红外温度响应矩阵的灰度共生矩阵，计算承载煤岩瞬时损伤红外温度响应矩阵的能量纹理特征值；S7：对承载岩石能量纹理特征值累积求和，得到累积能量纹理特征值，再通过累积能量纹理特征值和时间进行差运算从而计算出承载岩石累积能量纹理特征偏差值；S8：对承载岩石累积能量纹理特征偏差值求导，得到能量纹理特征偏差值，并通过将岩石损伤破裂过程中能量纹理特征偏差与前兆阈值的进行比较，将首次超出前兆阈值上限的时刻判断为岩石破坏前兆从而实现承载岩石损伤破裂前兆进行识别。2.根据权利要求1所述的红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，其特征在于，步骤S1中承载岩石红外辐射信息时间背景噪声校正方法如下：计算参照岩石平均红外辐射温度，公式如下：式中，AIRT
r
为参照岩石平均红外辐射温度，OITM
r
为参照岩石原始红外温度矩阵第i行第j列元素，m和n分别为该矩阵行、列数，t为任意时刻；利用参照岩石平均红外辐射温度对承载岩石原始红外温度矩阵进行时间背景噪声校正，得到时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵，记为承载岩石红外温度矩阵DITM
s
，公式如下：DITM(t)＝OITM
s
(t)
‑
AIRT
r
(t)式中，DITM为时间背景噪声校正后的承载岩石红外温度矩阵。3.根据权利要求1所述的红外热像图纹理特征的岩石损伤破裂前兆预警方法，其特征在于，步骤S2中承载岩石红外温度增量矩阵计算公式为：ΔDITM(t)＝|DITM(t)
‑
DITM(t0)|
式中，ΔDITM为承载岩石红外温度增量矩阵，t0属于(t)为初始时刻。4.根据权利要求1所述的红外热...

【专利技术属性】
技术研发人员：马立强，刘伟，张志涛，方亚杰，黄玮，赵志扬，曹安业，蔡武，门光誉，贾小龙，
申请(专利权)人：宁夏交通建设股份有限公司，
类型：发明
国别省市：