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(xiàng)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(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜、危險(xiǎn)、機(jī)密或者不穩(wěn)定區(qū)域、場景以及地點(diǎn)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(jià)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(gè)富礦可以為社會(huì)發(fā)展，提供絕對(duì)的資源支持[1]。但由于各個(gè)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(xiǎn)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?xiàng)l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(xiàng)基本參數(shù)，自動(dòng)生成三維實(shí)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(xiàng)更好的支持技術(shù)。因此以三維成像虛擬技術(shù)的特點(diǎn)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(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)的波高進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。根據(jù)兩種探頭的檢測數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)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(duì)較為集中時(shí)，斜角為20°的時(shí)，仍能有較高的回波高度，經(jīng)計(jì)算，其回波高度71%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)平底孔的傾斜角度增加時(shí)，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(shí)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(gè)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(diǎn)：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(duì)缺陷的方向不敏感。在礦山地質(zhì)信息采集時(shí)，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(huì)更高，并且聲束將具有良好的方向性。但是對(duì)于聚焦探頭，隨著板尺寸的增加，探頭焦柱的長度會(huì)變短，根據(jù)公式( 1 )可驗(yàn)證，這對(duì)缺陷檢測不利，所以選擇適合的晶片尺寸對(duì)礦山地質(zhì)信息采集尤為重要。因此依靠下列計(jì)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(shí)，會(huì)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(huì)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(duì)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(yàn)結(jié)果據(jù)公式(2)可驗(yàn)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(xiàng)異性因素；d表示晶粒直徑[6]。在上述計(jì)算過程中，選擇了聚焦探針。 當(dāng)樣品較厚時(shí)，焦點(diǎn)柱更靠近檢測表面，并且在采礦地質(zhì)中，聲波路徑較大時(shí)會(huì)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(jì)礦山成像模型

已知最接近實(shí)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(shí)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?yàn)?50m×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(gè)測點(diǎn)，形成三維成像模型正演測線。以實(shí)際礦山真實(shí)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(jì)和時(shí)空自適應(yīng)處理，發(fā)射波形的自相關(guān)和互相關(guān)會(huì)對(duì)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)MIMO雷達(dá)成像。所以我們利用基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)的MIMO雷達(dá)成像技術(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)的波長，采用匹配濾波器，對(duì)去載頻回波信號(hào)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(gè)散射中心的目標(biāo)，將其分成若干信號(hào)以實(shí)現(xiàn)雜波抑制，也就是MIMO雷達(dá)捕捉的一維距離像，實(shí)現(xiàn)MIMO雷達(dá)三維自適應(yīng)處理，完成回波運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，目標(biāo)近似可以通過點(diǎn)散射模型來描述。 通常，弱的散射中心回波對(duì)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(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)MIMO雷達(dá)成像[8]。

3 基于虛擬技術(shù)實(shí)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(shí)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(fèi)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(gè)子圖形，獲得夫瑯禾費(fèi)光場分布。按視角列出所有對(duì)應(yīng)子圖形的夫瑯禾費(fèi)分布，再采用SLM輸入這種按不同視角排列的夫瑯禾費(fèi)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(gè)位置的弗勞恩霍夫光場分布的特性。 薄片的變換同時(shí)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(shí)現(xiàn)多視角圖像的干涉記錄。因?yàn)閿?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(jì)算機(jī)虛擬的三維圖像處理，獲取3D對(duì)象的透視數(shù)字圖像。然后對(duì)上面的圖像進(jìn)行分色分割，依次拍攝每個(gè)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(shí)，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(tái)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(shí)會(huì)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(gè)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(shí)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(gè)弗朗與夫光場分布，形成出n個(gè)按視角方位重疊的分區(qū)子圖像，把這n個(gè)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(gè)步驟的研究與操作，實(shí)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(cuò)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(gè)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(shí)，離散化積分方程，通過大量的離散節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)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)。