太赫茲技術(shù)在煤與煤矸石篩選中的研究

徐 琳

（煙臺(tái)光基物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

目前篩選煤矸石方法中的射線成像檢測(cè)方法及可見光波段檢測(cè)方法分別存在高射線危害及識(shí)別準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。濕法排矸由于液體介質(zhì)使用導(dǎo)致的環(huán)境污染、水質(zhì)破壞不具備可持續(xù)應(yīng)用的前景。太赫茲波是一種非電離輻射的電磁波，其對(duì)煤炭具有特定的頻譜特性，通過(guò)分析煤炭及煤矸石相對(duì)于太赫茲波的透射特征并分析透射圖像的灰度分布找到煤與煤矸石的灰度閾值，并以此作為篩選煤矸石的參考值，以解決煤矸石篩選中篩選精度低、工作強(qiáng)度大、安全性低的難題。太赫茲煤矸石篩選對(duì)減少環(huán)境污染、提高資源利用率等方面具有重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

太赫茲煤矸石篩選系統(tǒng)選用TeraSense 公司的TeraFAST-256-HS-100 線性太赫茲相機(jī)、IMPATT-100-LS-fH/mirr100GHZ 太赫茲發(fā)射源作為煤矸石篩選系統(tǒng)的核心組件。太赫茲煤矸石篩選系統(tǒng)主要由上位機(jī)、太赫茲發(fā)射源、太赫茲線性相機(jī)、成像識(shí)別軟件、傳送帶、輔助機(jī)械裝置、PLC 部件組成。太赫茲發(fā)射源發(fā)射的太赫茲波穿透煤樣并最終在線性相機(jī)上成像，經(jīng)過(guò)線性相機(jī)的成像及成像軟件的圖像拼接和圖像分析鑒別出被檢測(cè)煤樣中的煤矸石。

圖1 煤矸石篩選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中：1 為100 GHz 太赫茲發(fā)射源；2 為水平100 GHz 太赫茲發(fā)射源；3 為太赫茲波導(dǎo)管；4 為水平放置太赫茲波導(dǎo)管；5 為太赫茲發(fā)射透鏡；6 為水平放置太赫茲透鏡；7 為傳送帶；8 為太赫茲線陣探測(cè)器；9 為太赫茲線陣探測(cè)器；10 為成像軟件及圖像處理模塊；11 為被檢測(cè)煤樣及煤矸石。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 太赫茲透射成像理論

同一射線在射線的波長(zhǎng)、被透射物質(zhì)的厚度、密度等因素的影響下會(huì)有不同程度的衰減[1]。當(dāng)窄束、單能射線透過(guò)一層均勻厚度的物質(zhì)時(shí)，入射強(qiáng)度只隨穿透物體的厚度增加并按指數(shù)規(guī)律迅速衰減[2]，即：

式中：I 和I0分別為太赫茲波束入射物體前和透射物體后的強(qiáng)度；μ 為被檢測(cè)物質(zhì)的有效線性衰減系數(shù)，表示單位時(shí)間太赫茲波束通過(guò)單位長(zhǎng)度物質(zhì)的衰減系數(shù)，μ 與被照射物質(zhì)的物理狀態(tài)和化學(xué)成分有關(guān)；d為被檢測(cè)物體的厚度。

太赫茲線性相機(jī)像素?cái)?shù)256（線陣排列），將256 個(gè)太赫茲探測(cè)單元排成一列，組成線性探測(cè)陣列。每個(gè)探測(cè)單元的尺寸為1.5×3 mm2，各個(gè)探測(cè)單元將成像后得到的模擬信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。成像方式采用線性掃描式，每一幅圖像由512 行數(shù)據(jù)組成，即線性探測(cè)陣列將采集512 次像素?cái)?shù)據(jù)，最后每幀圖像的像素將組成256×512 的像素點(diǎn)陣。

2.2 煤及煤矸石灰度直方圖及灰度統(tǒng)計(jì)

煤和煤矸石的太赫茲透射成像圖像如圖2，煤炭和煤矸石的灰度直方圖如圖3。

分析煤矸石及煤的灰度分布可以看到有兩個(gè)灰度波峰，左側(cè)的灰度波峰對(duì)應(yīng)煤矸石的灰度數(shù)值信息，數(shù)值分布在[0-25]之間；右側(cè)灰度波峰對(duì)應(yīng)煤塊的數(shù)值，數(shù)值分布在[75-150]之間?？梢钥闯雒汉兔喉肥懈髯缘南袼鼗叶戎捣秶?，矸石的像素灰度值范圍為[0-25]，峰值灰度值為7；煤塊的像素灰度值范圍為[75-150]，峰值灰度值為75?？梢酝ㄟ^(guò)分析煤與煤矸石灰度圖像的灰度值范圍篩選煤與煤矸石。

但是煤炭與煤矸石在實(shí)際篩選過(guò)程中可能會(huì)有灰度值重疊的情況，僅僅通過(guò)成像圖像的灰度值不能準(zhǔn)確地判斷煤與矸石，通過(guò)考慮煤以及矸石的厚度并結(jié)合相應(yīng)的衰減規(guī)律才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的煤矸石與煤的篩選規(guī)律。

圖2 煤及煤矸石太赫茲透射成像

圖3 煤及煤矸石灰度統(tǒng)計(jì)直方圖

2.3 煤和煤矸石的厚度測(cè)量原理及閾值確定

利用圖像分割算法對(duì)煤和矸石圖像進(jìn)行二值化，通過(guò)掃描統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域的像素，得到的像素?cái)?shù)目[3]就是煤或矸石圖像的面積s，煤和矸石圖像的面積計(jì)算公式為：

式中：x，y 為像素點(diǎn)在圖像中的位置坐標(biāo)，同時(shí)利用放縮比[4-6]平均值N 計(jì)算煤和矸石的實(shí)際面積A。

式中：N=Σini/i，ni=ai/si，ai為測(cè)量多組煤和矸石的面積，i 為被測(cè)煤和矸石數(shù)量。

為了得到煤的厚度可以將煤塊的形狀近似為圓形，可以得到煤塊或矸石的厚度h。

為簡(jiǎn)便計(jì)算并綜合考慮煤樣厚度及灰度信息，通過(guò)H=f·h 獲得篩選煤和煤矸石的閾值H。

式中：f 為煤或者矸石的灰度值；h 為煤塊或者矸石的厚度。

3 實(shí)驗(yàn)分析

選擇30 組煤和矸石樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別獲得灰度分布直方圖并確定其峰值灰度值，測(cè)量各煤塊或矸石的厚度值并計(jì)算出閾值H。根據(jù)式（5）確定煤和煤矸石的閾值H。

實(shí)驗(yàn)煤樣灰度峰值及閾值數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 煤塊實(shí)驗(yàn)灰度峰值及厚度數(shù)據(jù)

煤矸石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，灰度峰值及閾值見表2。

表2 煤矸石灰度峰值及厚度數(shù)據(jù)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)煤塊以及煤矸石厚度、閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行分布圖繪制如圖4、圖5。

圖4 煤塊厚度與識(shí)別閾值分布圖

圖5 煤矸石厚度與識(shí)別閾值分布圖

通過(guò)比較煤、煤矸石的閾值分布圖，得知煤、煤矸石的閾值差異明顯。實(shí)驗(yàn)所用煤樣的最小閾值為1152 cm，煤矸石的閾值最大值為340 cm。設(shè)定識(shí)別閾值為750 cm，系統(tǒng)通過(guò)式（5）計(jì)算得到的閾值與識(shí)別閾值進(jìn)行比較，閾值小于750 cm 判定為煤矸石并進(jìn)行排矸工序，閾值大于750 cm 判定為煤塊，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)煤、煤矸石的篩選。

4 總結(jié)

獲得煤及煤矸石的透射圖像并對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，分析后發(fā)現(xiàn)煤與煤矸石在灰度分布峰值存在差異。根據(jù)煤和煤矸石閾值的分布情況確定識(shí)別閾值，并以此作為篩選煤和煤矸石過(guò)程中的判斷依據(jù)。經(jīng)過(guò)綜合考慮煤樣厚度等信息建立篩選煤矸石的識(shí)別模型，為高效、安全、環(huán)保地選煤提供了一種新方法，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。