基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别.pdf

第 4 3卷 第 1期 2 0 1 7年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ．2 0 1 7 ’ ’ ’。 实验研究 ． ◆l ． ◆ ’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 2 9 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 0 8 王昕 ， 胡克想 ， 俞啸 ， 等． 基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别 [ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 1 2 9 3 4 ． 基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别 王 昕 ， 胡克 想 ”， 俞啸 ， 丁恩 杰 1 _ 中 国矿 业大学 物 联 网 感知 矿 山 研究 中心 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 矿 山互联 网应用 技术 国家 地方联 合 工程实 验室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 4 ． 江 苏省感 知矿 山物 联 网工程 实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 为 了研 究基 于太赫兹 时域 光谱 的煤岩界 面识 别可行 性 ， 首 先应 用太 赫兹 时域 光谱 技 术 ， 以气煤 和 砂岩 粉 末压 片作 为 实验样 本进行 了相 关 实验 ， 得 到 了太赫 兹脉 冲 穿过 不 同样 本 时所 产 生 的 时间延 迟 和 衰减 幅度 。然后采 用 Hi l b e r t Hu a n g变换 对煤 岩样 的 太赫兹 光谱 进 行 了时频 域 分析 ， 并 与 由传 统 快速傅 里叶 变 换 方法 获得 的样品 频谱进 行 了对 比 ， 结果表 明 ， 在 时频域 内太 赫兹光谱 信 号具有 更 高的分辨 率 ， 可 以更好 、 更 直观 地 分析 太赫兹脉 冲在 任意 时刻 的频率 、 能 量成分 ， 研 究任 意频率在 不 同时刻 对吸 收谱 线的作 用 。最后 介 绍 了基 于太赫 兹 时域 光谱技 术 的煤 岩界 面识 别过 程 ， 通 过 实验 验证 了采 用 Hi l b e r t 谱 和 边 际谱 提 取 出的光 谱 特征 值可 以很 好 地 区分煤岩介 质 。 关键 词 煤炭 开采 ；煤岩界 面 ；煤 岩识 别 ；太赫 兹 时域 光谱 ；Hi l b e r t Hu a n g变换 中图分类 号 TD 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 1 2 3 0 0 9 4 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 0 9 4 2 ． 0 0 8 ． h t ml Co a l 。 r o c k i n t e r f a c e r e c o g ni t i o n ba s e d o n t e r a h e r t z t i me d o ma i n s p e c t r os c o py W ANG Xi n ， ， 。 一， HU Ke x i a n g ， ， 。 一， YU Xi a o ， 3 , 4 ， DI NG En j i e ， ， 。 ， 1 ． I n t e r n e t o f Th i n g s P e r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Xuz ho u 2 21 00 8，Chi n a；2． Sc h oo l of I nf or ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i ne e r i ng，Ch i na Uni v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a ；3 ． S t a t e a n d L o c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f Mi n e I n t e r n e t Ap p l i c a t i o n Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；4． J i a n g s u En g i n e e r i n g La bo r a t o r y o f Pe r c e pt i on M i ne I n t e r n e t o f Thi n gs ，Xuz ho u 2 21 0 0 8，Ch i na Ab s t r a c t I n or d e r t o s t u dy f e a s i b i l i t y o f c o a l r oc k i n t e r f a c e r e c o gn i t i o n b a s e d o n t e r a he r t z t i m e - d o ma i n s p e c t r o s c o py，s o m e e x pe r i m e nt s we r e t a ke n o ut by u s i ng t e r a he r t z t i me d oma i n s pe c t r o s c op y，whi c h us e d g a s c o a l a nd s a n ds t o ne p o wde r t a bl e t a s s a mpl e s．Ti me de l a y a nd a t t e nua t i o n a mpl i t ud e t ha t c a us e d b y t e r a be r t z pu l s e t r a n s m i s s i on be t we e n d i f f e r e n t s a mp l e s we r e o bt a i ne d．H i l be r t H ua ng t r a ns f o r m wa s u s e d t o ma ke t i me f r e qu e n c y a n a l ys i s o f t h e s a m p l e s “ t e r a h e r t z s pe c t r um ，a nd t h e a n a l ys i s r e s u l t s we r e c o mpa r e d wi t h t h e o ne s b y t r a d i t i o na l f a s t Fou r i e r t r a ns f o r m m e t ho d．The c o mpa r i s o n r e s ul t s s ho w t ha t r e s o l ut i o n o f t e r a he r t z s p e c t r um i s hi g he r i n t i m e f r e qu e nc y d o ma i n，a nd f r e qu e n c y a nd e n e r g y c ompo n e nt s of t e r a he r t z pul s e c a n be a na l y z e d be t t e r a nd mor e i nt u i t i v e l y a t a ny t i m e a s we l l a s a b s or p t i o n e f f e c t o f a ny f r e q u e n c y a t 收稿 日期 2 0 1 6 0 9 0 8； 修回日期 2 0 1 6 1 1 - 2 3 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 目 2 o 1 4 c B O 4 6 3 O 0 。 作者简介 王昕 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 博士研究生 ， 研究方向为煤 岩识别 ， E ma i l 5 4 5 2 0 0 8 1 q q ． t o m。 3 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 d i f f e r e n t t i m e ． Coa l r oc k i nt e r f a c e r e c og ni t i o n p r oc e s s ba s e d on t e r a he r t z t i me do ma i n s pe c t r os c o py wa s i n t r o du c e d． The e x pe r i m e n t a l r e s ul t s s ho w t ha t c o a l r oc k me d i um c a n b e we l l d i s t i ng ui s he d by c ha r a c t e r i s t i c va l ue e x t r a c t e d by Hi l be r t s pe c t r u m a nd ma r g i na l s p e c t r um ． Ke y wo r d s c oa l m i n i n g； c o a l r o c k i nt e r f a c e； c o a l r o c k r e c og ni t i o n；t e r a he r t z t i m e d o m a i n s pe c t r o s c o py；H i l b e r t Hua n g t r a n s f or m 0 引言 受地质条件的影响 ， 煤层厚度存在一定 的变化 规律 ， 需要 不 断调整 采煤 机滚筒 高度 ， 避 免切 割顶底 板[ 。 目前 已有 大量 文献 描述如 何制 定采 煤机 自动 调高策略， 但仍然没有完善的解决方案 ， 采煤机依然 是 由工人 凭借 自身感 觉 和经验来 操 作 。 业 界普 遍认 为 ， 采煤 机 自动调 高 的相 关 问题 主 要集 中在 煤层 与顶底 板 之间 的煤岩 界面识 别这 一瓶 颈上 。介 质 检 测 法 是 一 种 常用 的 煤 岩 界 面 识 别 方 法 ， 其是指当传感器检测到采煤机当前切割的介质 是顶 底板 岩石 时 ， 立 即 调 整滚 筒 高 度 。介 质 检测 法包 括 图像 分 析 法 、 截 割 数 据 法 、 热 分 析 法l 2 铷等 。 上述 研究 仅从 监测 采 煤 机 滚 筒振 动 、 截 齿 温 度 等 现 象 出发 ， 通过煤 岩 硬度 和外 观差异 进行 判别 ， 当煤 岩 介 质 的硬度 或外 观差异 不大 时识 别准确 度 不高 。 太 赫 兹 时域 光 谱 技 术 具 有 较 高 的 脉 冲 峰 值 功 率 、 p s 级脉冲宽度和较小 的物体散射 ， 能够有效抑 制从 背 景辐射 出的干扰 ， 信 噪 比、 灵 敏度 远 高于红 外 光谱 ] 。许多有机物大分子的振动和转动能级变化 对 应 的频率位 于 太赫 兹 波 段 ， 所 以近年 来 太 赫 兹 时 域 光谱 技术作 为 快 速无 损 检 测 方法 ， 已 逐步 用 于 溶 剂 、 食 品 、 药 品等 物质成 分及 结构 的分 析研 究 中 。 ] 。 煤 岩 是 一种 极 复 杂 的多 元混 合 物 ， 其 组成 成 分 难 以鉴 定 ， 在煤 岩领 域 涉及 太赫 兹 时 域 光谱 技 术 的 文献很 少 。杨成 全等 讨论 了岩 样在太 赫兹 时域 光 谱和傅里叶红外光谱下 的差异 ； 宝 日玛等 研究 了 几种岩石的太赫兹光谱； 许长虹等_ 1 0 ] 通过太赫兹光 谱 实验 ， 研究 了煤炭 中氢含 量 与挥 发 分 对 实验 结 果 的影 响 ； 王 听等 n 妇 描述 了煤 岩介 质 在太 赫 兹 频段 下 的介电特性 。目前虽然无法通过微观方式详细阐述 煤岩介 质 与太赫 兹 波 的相 互 作 用 ， 但 考 虑 到煤 的主 要组成成分为碳 、 氢和氧元素 ， 岩石的主要组成成分 为二 氧化 硅等 ， 且太 赫 兹 波 和 煤 岩物 质 构 成 分子 之 间的相互作用不同， 因此太赫兹时域光谱技术有可 能 为煤 岩介质 鉴别 提供一 种新 的研 究途 径 。 从 目标样 本透 射或反 射 的太赫 兹信 号必 定含有 样 品 的丰富物 理特 征 信 息 ， 如 何 提取 这 些 特 征 信 息 为 物质 鉴别提 供依 据是本 文 的研究 重点 。本 文 以太 赫兹时域光谱技术作为煤岩介质检测方法， 以气 煤 和砂 岩为 实验 样本 进 行 太 赫兹 脉 冲 探 测 ， 获 得 依 赖 频率 的光 学常 数 ， 如 太赫 兹时域 谱 、 频谱 。考 虑N - 者在 太赫 兹频 段 内均 无 明 显 吸 收峰 ， 传 统 分 析 方 法 可能 很 难 实 现 物 质 鉴 别 ， 因此 采 用 Hi l b e r t Hu a n g 变换 方法 ， 对样 本 的太赫 兹光谱 进 行时频 域分 析 ， 寻 找样 本 的特征 值 。 1实验 方法 1 ． 1 实验装 置 实 验装 置 采 用太 赫 兹 时域 光 谱 系统 ， 其 主 要 由 飞 秒 激 光 器 、 太 赫 兹 脉 冲 发 射／ 接 收装 置 和延 迟 线 3个部 分组 成 。出射 激 光 中心 波 长为 8 0 0 n m， 重 复 频率 为 8 0 MHz 。激 光 经 分 束 器 分 为 2束 ， 一 束 为 泵浦 光 ， 经延 迟线 聚焦 在光导 天线 上 ， 用 于激 发太 赫 兹 脉 冲 ； 一束 为探 测光 ， 其通 过偏 振状态 的 变化来 控 制输 出电流 ， 输 出电流 与太赫 兹 脉冲强 度成 正 比 ， 并 通过 锁相 放大 器放 大后 输入计 算机 。整 个实 验装 置 放置 在 干燥 的实验 箱 内 ， 温度 为室 温 ， 数 据采 集方 式 采用 透射 模式 ， 太 赫兹 脉 冲 以随 时 问 变化 的形 式 被 系统 采 集l 】 。 1 ． 2样品 制备 和光谱 获取 方式 实 验所 用 样 品源 自兖 矿 集 团兴 隆 庄煤 矿 ， 其 中 煤样为 Ⅱ变质阶段气煤 ， 岩样为中砂岩夹杂粉、 粉细 砂岩 ， 以石英、 燧 石等稳定组分为主。样品经风干、 破 碎并 研磨 后 ， 利 用 2 0 0目筛 网进行分 选 ， 然后 放置 在 1 2 0℃烘 箱 中烘烤 2 h 。制备 压 片时 ， 压 强控 制在 2 0 MP a ， 并 维持 1 5 mi n 。最终分 别制 备 了岩样 和煤 样 压 片各 3份 ， 所 制备 压 片样 品呈 圆盘形 薄片 ， 其 厚 度 小 于 3 mm， 直 径 为 3 c m， 内部 均 匀 ， 上 下表 面互 相平行 。将压制好的样 品放置于实验装置 的样品架 上， 每种样品测量 3次 ， 取平均值作为最终信号 ， 以 尽可能减小实验误差 。同时， 以空样品架为参考， 得 到参 考光谱 。实验结 果如 图 1 所 示 。 从 图 1 可 看 出 ① 由于 不 同样 品 的折 射 率 不 同 ， 所 以太 赫兹 脉 冲透 过 不 同样 品 时 的波 速 和 光程 不 同 ， 导致 脉 冲相 对 于 参 考 光 谱 的 时 间 延 迟 不 同 ； ② 由于太 赫 兹 脉 冲 的能 量 在 不 同 的样 品 中会 出 现 不 同的损耗 ， 所 以 出现 幅度 衰减 。 2 0 1 7年 第 1期 王 昕等 基 于太赫 兹 时域光谱技 术的煤岩 界 面识别 3 1 图 1 煤岩样 和空气 的太赫兹时域谱 2频谱 分析 图 2为经 过快速傅 里 叶变 换得 到 的煤 岩样 及空 气的太赫兹频谱。与时域谱相比， 样品的太赫兹频谱 相对于参考光谱产生了显著差异， 原因可能是煤样中 的复杂分子团 如 甲基 及岩样 中的原子晶体二 氧化硅 吸收电磁波能量产生 振动 ， 且各 种有机 分子振 动与太赫 兹波 电场不一致 ， 从 而产生 了幅度衰 减 。总 体看来 ， 岩样的太赫兹频谱幅度略高于煤样。 图 2 煤岩样及空气的太赫兹频谱 由于频谱 中 0 ． 4 ～1 ． 4 THz部分 的数 据 差异 相 对 明显 ， 选 取该 频段 对 煤样 与岩 样 的 太 赫兹 频 谱 进 行处 理 ， 得到煤 样 与岩样 的系统 透射 函数 ， 如 图 3所 示 。可看 出 ① 煤样 与 岩样对 太 赫兹 光波 的衰减 程 度不 同， 煤样对太赫兹波的衰减更 大； ② 煤样与岩 样在 0 ． 5 6 ， 0 ． 7 5 THz 处有极小值， 说 明太赫兹波在 该频 率点 会产生 较大 衰减 ； ③ 若 以该 图纵 轴 零点 为 截止 点 ， 则岩样 的截 止频率 远高 于煤样 的截 止频 率 ， 图 3 煤岩样 的太赫兹透射 函数 说 明 1 ． 1 THz以上 的太 赫 兹 波 将 会 被煤 样 完 全 吸 收 ， 1 ． 4 THz 以上 的太赫 兹波将 被岩样 完全 吸收 。 3时频域分 析 3． 1 Hi l be r t H u a ng 变 换 基 于傅里 叶变 换 的分析方 法是 传统太 赫兹 时域 光 谱分 析方法 ， 对 于 具有 吸 收峰 的 简单 物 质有 良好 的鉴别 效果 ， 但在 鉴 别不 具 有 吸 收 峰 的复 杂物 质 时 存 在一 定 的困难 。 实际上 ， 太赫兹时域光谱信号是一种非平稳信 号 ， 其时间延迟、 信号强度及频谱宽度等反映了被测 样 本 的吸收 和 色散 特 性 。 因此 ， 当 常规 的频域 分 析 方 法效 果不 明显 时 ， 可采 用 时 频 域分 析 方 法 寻找 某 个 时 间区域 的频率 特性 或某个 频率 特性 发生 的时间 区域 。在现有 的时频域 分析 方 法 中 ， Hi l b e r t Hu a n g 变 换应 用较 广泛 _ 】 。 Hi l b e r t Hu a n g变换首先对信号进行经验模态 分解 E mp i r i c a l Mo d e D e c o mp o s i t i o n ， E MD ， 得 到 本 征模 态 函数 I n t r i n s i c Mo d e F u n c t i o n ， I MF ， 即 一 c r 5 式 中 z 为 I MF； t 为 时 间 ； c 为第 i 个 I MF分 量 ； n为 I MF分 量个 数 ； r 为残 留项 。 每个 I MF分量 都 反 映 了原 始 信 号 不 同 时 间尺 度 的模 态 特 征 。 当残 留项 为一 个 单 调 函 数 或 常 量 时 ， 整个 分解 过程结 束 。 接 下来对 C 进行 Hi l b e r t 变换 H c i ￡ 一1r d r 6 构造 c ￡ 的解 析信号 z 一 C j H c 一 a f e x p j 7 式中 n 为幅值 ； 为相位 。 通 过计算 可得 瞬时频 率 c ￡ ￡ 一 8 忽 略残 留项 ， 即可得 到 Hi l b e r t 谱 H ∞ ， ￡ 一 R e ∑n e x p j IOAi t d t 9 H 叫， 对 时间积 分 ， 可 得到 Hi l b e r t 边际谱 rT ∞ 一 I H 叫， d t 1 O J 0 式 中 T为 时间长 度． 3 ． 2 数 据 处理 与特征提 取 分别对煤岩样的太赫兹时域谱信号进行 E MD， 得到 I MF分量 I MF I --I MF 6和残留项 。本文选取 了部分煤岩样太赫兹时域谱及参考光谱 的 I MF分 3 2 工 矿 自动 化 2 O 1 7年 第 i 3卷 量 I MF 1 I MF 3 ． 如I 4所 示 。小 同的 I MF分 鲢 包 含 了不 同 的时问 度 ． 样 品信 号的 光谱特 f i t{ 值 干 延迟 任不 同的 时 分辨半 下 也不卡 【 { 旧 。 趔 墨 四 孽 5 0 I I f , l ／ p x 空 气 I M pl I M 图 1 煤岩样 L j 气的太赫旌f I寸 城谱 部分 1 MF分 对每 一个 I MF分 量 进 仃 Hi l b e r t 变换 ． j t 卡 } 抓 式 7 构造 解析 信号 后 求 得 瞬时 频 簪． 如 5昕 。 瞬 时频率 与傅 里叶变 换 巾的频 瞽含 义不 。前 行 l 『 得 到频率 随时 f u J 变 化 的 l I 线 ． 频 率 是 每一 [ I lf 刎埘 应 的真实 频牢 ， 而傅 里II -} 变换 无 法 做到 该点 。通 过 观察 瞬 时 频 率 可 发 现 。 煤 并 佯 的 太赫 兹 时 域 谱 I MF分量所 包 的频 牢 信 息 随 着 分量 阶 数 的 增 逐渐移 向低 频 。 结 合所 有 的 I MF分 量 ． 通 过 式 9 得 到煤 样 太 赫 兹 脉 冲信 号 幅值 的 时 频 率 分布 ， 【 { I J Hi l b e r t 露霸 磊焉嚣器露 雾翼 露雾 露 隧 ． ％ 弧 i i ii 1 1 1 1 1 i i I 疆 薯 c薯 臻 搿 潮 一 j 赫 ∞ - j “ 一 蛾 隧 善 意m 薯 垂 一 曩矗 瓣孽 鞠舞簦 学 雕 ≥薹 一 ili；ii 萋 爨 嚣每 匿一 溉蟛 誊 搿 疆 棼 糍 竭 睡 ． 曩瓤 嚣 黉 鬻薯 麓萋 匿 ≯ - 一 冀 蕊 誊 蔫譬誊 撵 i 匿 篓 _ 镰 。蠢 辫 鞭 ； 瓣 隧 激 囊 黛 舞 嚣 登 巨 。 曩 瓤 。 。 嚣 鬻l L 一 竺 二 50 1 { I坩问 ／ p s 煤 样 5 0 I 1 f 时 0 J ／ p s 。 气 图 5 煤柑样 空气的太赫兹时域 潜信 邴分 I MF分 毓 的 瞬 [ 『 ’f 频 率 谱 ， 如 图 6所 永 。时 f1 l J 频 率 平 面 } 的 强 度 值 反 映 r太赫兹 脉 冲 的能 量 。Hi l b e r l 谱包 含 r 细 的 时 问 、 频 率 、 幅 值信息 ， 可 以分 析 太 赫 兹脉 冲 任 意时 刻 的频 率 、 能 量成 分 ， 研 究任 意频率 任不 同时 刻埘 收谱 线 的作 片 】 。从 罔 6可 看 Ⅲ ． 煤 样 的光 谱 能量 主 要 集 中在 2 5 ～3 p s ． 0 ． 1 ～0 ． 2 THz ； 4⋯ f 样 的光谱 能 量 主要集 巾 2 j ～3 j p s ， 0 ． 1 ～0 ． 2 F Hz ； 参 孑 匕 的能量 主要 集 中住 1 j ～ 3 O p s ， 0 ． 1 ～0 ． 3 THz 。 对 比 1 、 罔 2 、 图 6可看 出 ． 经 Hi l b e r t Hu a n g变换 得 到的样 品 光潜 与参考 光谱 的时n 1 J 干 频 率特 卜 j 时域 光谱及 其傅 里叶 变换 结 果 一 致 ． 其 特 点 如械 止 最 高频 率点 增加 了不 同样 品光 潜的辨 识度 。 ■■■■■■_■甲 ] } l ；1 I 鍪 警 ’ 冀 _I 1 譬 i _l l_ l j _ I _ j 琏。 j 囊 蠹 搿蠢l 瑟冀 鞭搿鬻鬻 潮 外 嚣 嚣 譬 麓 鑫 嚣 繁 t i “ 。 Il ll _l l l ji I 。 F { i 。i i 蕊 i 羹 鬟 纛 1 1 0 3 4 I 5 6 f 7 1 时问／ p s h 岩样 到 6 煤 样 j r 、e- ．t 的太赫兹脉冲 Hi l b e r t 谱 对 Hi l b e r t 谱进 行时 域积 分 ， 得 剑 Hi l b e r l 边 际 谱 ． 如图 7所示。边际谱 可准确反映太赫兹光谱信 号随 频率 变化 的分布情 况 。但与 傅里 叶变换 小 同的 是 ， 边 际 谱 『 } | 某一 点 的坝牢 并不一 定时 时仔 ． 也不 一 定 只 出现 1次 ， 町能 是 以不 同 或 相 同 的幅 值 { 现多 次 。该点对 廊的 幅值是 陔频 率 时 0 i J 城 巾的 能 __■■■■ 蘑 罄 蠹 蘸 鞋 麓 0 搿 鬻 学瓣 辩 iii iij 臻譬 1 瓣 。 。 i j l i iili iiii iiiiii 端 鍪 静 蠢琵 嚣 蕊I i i i iiiiiiiii ． ii i 甄蠢 蠹誊 嚣 搿 秘 瑚 黧 l l _ 黜 簦 笺 { } 囊 囊 l_ _ _ l 蠹 鬻 ll 露 i 鬟 誊 I l l 薹 l鏊 麓 I 臻 托 赫 。 蠢 ≯ 爨 譬鬻 I 黪 蘩 |ll 蒸 群 黧 鏊 薯 鼍 囊 一 舞 瓣 { _ L 一一鍪 鍪鍪 一～鍪 - 遴 i 薹 量之 和 。一股来 说 ， 边 际谱 的分 辨 率远 高 于 他 里 叶 变换 结果 。 ，L 1． 包 含 r丰 富 的特 征 信 息 ” 。 7巾 ， 以 幅值峰 值点 作 为信 号特 征 峰 ． 则空 气 的人 赫 兹 光 谱特 峰 频率 为 0 ． 2 3 ． 0 ． 2 8 THz ． 煤 样 的 太赫 兹 光 谱特 征峰 频率 为 0 ． 2 F Hz ， 岩样 的太 赫兹 光谱 特 征 峰 频 率 为0 ． 1 j THz 。 对 比 冈 2 、 7 H 看 ⋯ ． 傅 0 一 1一 ， I 一 一 ＼ ～爨 S 0 样 拍 岩 0 8 6 4 ， Hl 一 ＼ 褂 6 气 ∞ 空 m时 ㈩ ， 一 7 样 煤 n 0 叫 1 ，L 2 0 1 7年第 1期 王昕等 基于太赫兹时域光谱技 术的煤岩界面识别 3 3 0 0 2 0 ．4 0 ． 6 0 ．8 1 ．0 1 ． 2 1 ．4 1 ． 6 频 率／ T H z 图 7 煤岩样与空气 的太赫兹脉冲 的边际谱 里叶频谱中， 样本太赫兹光谱的大部分能量集中在 0 ． 1 ～0 ． 5 THz ， 这 与 边 际 谱 中 的数 据 一 致 ， 但 是 后 者 可 以得到更 精确 和更具 有辨 识度 的频率 特 征 。需 要 注意 的是 ， 经 E MD分 解后 的 I MF分量 所 包 含 的 能量和原始信号能量是不相等的， 因此边 际谱的幅 值只能说明某个频率信号存 在， 以及其能量相对于 其他频率信号的大小 ， 与傅里叶变换结果 的幅值不 具 有 比较性 。图 7中 ， 若 定 义 样 品光 谱 在 有 效 频率 区间0 ． 1 ～1 ． 4 THz ，纵轴平方与横轴 所围的面积 为太赫 兹光 谱特 征 能量 函数 ， 则 可计 算 出煤 岩 样 的 太赫兹光 谱特 征 能量 函数 分 别 为 2 4 ． 9 x 1 0 。和 86 ． 9 1 0 。 4煤岩 介 质识别 煤岩样太赫兹光谱信号在时频域的特征参数见 表 1 。经 比较可发现， 样品的太赫兹光谱 特征参数 存在一定差异 ， 可选取 1 个或多个特征参数作为样 品指纹特征 ， 并根据样本数量选取适当的分类算法 进行分类 ， 如 目前常用的支持向量机 、神经网络等。 鉴于分类算法不是本文的讨论重点， 在此不再赘述 ， 仅用 最简 洁 的方 法验证 结 果 ， 过程 如下 1 对未知样本的太赫兹光谱信号进行 E MD 分解 ， 得到样本太赫兹光谱 的 I MF分量， 结合所有 I MF分量求出未知样本信号太赫兹光谱的 Hi l b e r t 谱 ， 并 从 中读取 特征频 率 。 2 对各 I MF分 量 进 行 Hi l b e r t 变 换 ， 求 得 未 知样本太赫兹光谱信号的边际谱 ， 读取特征峰 ， 并求 得 信号 的特 征能 量 。 3 分别计算未知样本太赫兹光谱信号特征值 与已知样本太赫兹光谱信号特征值的归一化距离。 以特 征能 量为例 说 明计 算 过 程 。设 E 为 未知 样 本 太赫兹光谱信号 的特征能量 ， E 。 一1为岩样 ， i 一2 为煤样 为已知样本的太赫兹光谱信号特征能量 ， 则 二者 的归 一化距 离 为 d．一 ／ E 一E 。 √ E 1 1 表 1 煤岩样太赫兹 光谱 特征参数 4 比较 d ，d ， 则较小值对应 的样本类型即 为未 知样本 的介 质类 型 。 由于太赫兹波携带了 2种介质本身的物理特征 差异 ， 将实 验过 程 中获 得 的 多组 数 据 分 别按 照 上 述 方法 进行 分类 ， 均能得 到 正确结 果 。 5 结语 通过实验得 到了煤岩样 品的太赫兹时域光谱 ， 对光 谱进 行 了快速 傅 里 叶变 换 ， 经 分 析 发现 2种 样 品在时域和频域谱上虽然存在一定的物理差异， 但 二者在太赫兹频段 内均无 明显 吸收峰， 表明传统的 分 析 方 法 可 能 很 难 实 现 煤 岩 识 别 。 因 此 采 用 Hi l b e r t Hu a n g变换 对煤岩 样 的太赫 兹 光 谱进 行 了 时频分析 ， 使太赫兹光谱具有了更高的时频分辨率 ， 能够 更好 、 更直 观地 分 析 太 赫 兹脉 冲在 任 意 时刻 的 频率 、 能量成分 ， 研究任意频率在不同时刻对吸收谱 线 的作用 。通 过 Hi l b e r t 谱 、 边 际谱 提 取 了 煤 岩 样 太赫兹光谱信号的特征差异值 ， 并利用实验数据进 行分 类 ， 结 果表 明利用 煤 岩 样 太赫 兹 光 谱 的特 征 指 纹可以很好地区分煤岩介质 。 参考文献 [1] S UN J P， B O S ． C o a l r o c k i n t e r f a c e d e t e c t i o n o n t h e b a s i s o f i ma g e t e x t u r e f e a t u r e s E J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y．2 0 1 3 。2 3 5 6 8 1 - 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