数据精度

数据精度（共9篇）

数据精度 篇1

地籍测量工作是一项系统、复杂而艰苦的测绘工作, 同时又要保持较高的精度 (厘米级) 和现势性。常规的测量方法有经纬仪、全站仪、测距仪等, 其共同特点是要求测站点间必须通视使得工作站不能进行大面积的测量工作, 并且需要3个工作人员以上, 费事费力, 效益十分低下。近年来, 由于GPS系统进一步稳定和完善, 以及相应硬、软件的提高, GPSRTK技术以其简单高效的特点被广泛应用于地形图测绘、地籍测量、工程放样、控制测量以及导航等方面, 得到了很快的普及和发展。

一、工程概况

测区南北宽4公里, 东西长7km多, 总覆盖近30km2, 经济比较繁荣, 人口居住比较密集, 交通便利, 地面平均高程为110m。测区内用地类型错综复杂, 有住宅、工业、商业和行政事业用地等。交通拥挤, 小巷多, 通视条件差, 地籍测量难度大。加之测区内少数民族人口较多, 工作进度比较缓慢, 而且测区内初始测量控制点破坏严重, 这样给变更地籍测量带来极大的困难。

二、准备工作

(一) 作业依据。

国家测绘局1994年11月28日发布的《地籍测绘规范》 (CH5002-94) ;原国家土地管理局1993年6月22日发布的《城镇地籍调查规程》 (TD1001-93) ;国家测绘局1994年11月28日发布的《地籍图图式》 (CH5003-94) ;国家测绘局1992年6月8日发布的《全球定位系统 (GPS) 测量规范》;建设部1997年10月1日发布的《全球定位系统城市测量技术规程》 (CJJ73-97) 。

(二) 采用的仪器设备。

5台南方公司生产的GPS接收机和随机数据处理软件;南方公司的灵锐S86RTK流动站双频接收机2台, 徕卡406全站仪1台, 拓普康701全站仪台, RDGIS (瑞德地籍信息系统) 软件1套;南方测图软件CASS6.01套;DELL公司便捷式笔记本电脑2台及相关通讯设备。各种设备在作业前均通过检测, 性能和精度均符合标准要求。

三、实施步骤

(一) 控制测量。

控制测量采用全球卫星定位系统, 运用南方公司生产的GPS接收机和随机数据处理软件, 定位方式为快速动态定位。以测区内1999年测设的D级GPS控制点作为本次变更地籍测量的起算点。为方便利用实时动态GPS (RTK) 、全站仪进行界址点和碎步点的测量, 点位一般选在空旷地带或道路主干道旁。按照GPS测量规范要求, 点位周围垂直角15°以上天空无障碍物或大范围水面, 点位远离强功率电台、电视发射台、微波中继站, 远离高压电线、变电所等。由于本次测量属地籍变更测量, 控制精度必须满足地籍测量规范要求。内业计算为随机软件严密平差, 并将其平差结果直接建立控制点数据文件, 以备利用。

(二) 碎部 (界址点坐标) 测量。

采用GPS (RTK) 、全站仪配合的草图方式测图, 关键部分绘制在草图上。草图的清晰、明了对内业工作至关重要 (包括四至名称、房屋层数、房屋结构、房屋权属、院落门牌号、街坊等) , 草图绘制的比例尺不宜过小, 地物之间的相对关系大体能够得到体现。在进行界址点测量之前, 为了提高工作效率, 对测图范围内的所有界址点要进行分析和统计, 将其分为三种类型。第一种类型, 界址点位于开阔地带, 或位于一般建筑物的房角或墙角处, 或在较容易到达顶部的高大建筑一角的地方。这类界址点和碎部点应用RTK技术 (实时动态全球定位系统) 进行测量。将野外采集的数据, 自动记录在电子手簿或内存中并在现场将其80系的坐标与基础控制点的80系坐标进行合并解算, 再代入基础控制点的地方坐标, 计算出实地的界址点坐标, 并绘制地籍地形草图。第二种类型, 当建筑物层数较高且不宜到达顶部或较为隐蔽的界址点和碎部点, 则首先利用RTK测设一组图根点, 然后再利用全站仪进行测量。第三种类型, 十分隐蔽的死角, 只能借助与其他点、线之间的几何关系来确定其位置。当然, 除上述情况外, 有些界址点在实际测图中动态GPS、全站仪都无法观测, 在这种情况下, 量取界址点与其他已测点或线的相对位置及尺寸, 应用RDCIS (瑞德地籍信息系统) 软件的绘图功能或CASS6.0成图软件在图上将点解析出来 (解析的方法有前方交会、边长交会、方向交会、支距量算等) 。有时界址点之间的距离难以量取实际距离, 而我们能看得见, 在这种情况下, 应该采用全站仪无棱镜激光实施对边测量来量取两点之间的距离, 这样克服了人无法到达且无法司镜的问题。

(三) 内业数据处理。

外业采集数据后, 及时对外业采集的数据进行内业数据处理。通过全站仪通讯软件把数据下载到计算机中, 再通过其他辅助软件编辑将数据存为*.DAT格式, 也可直接用CASS6.0成图软件“数据”菜单下的“读取全站仪数据”项读取外业数据, 然后用CASS6.0成图软件展绘碎部测量点, 结合宗地草图和预设编码进行初步成图, 同时加载地籍各个要素, 做到地籍图图形数据的完整性和正确性。待一切就绪, 就可生成不同比例尺的宗地图、界址点成果表、界址调查表、宗地属性表等相关内容, 为地籍信息数据库的建立做好准备。

(四) 数字地籍图编译和地籍管理信息系统的建立。

在一个宗地成图结束后, 首先是内业复查, 根据宗地草图及地籍调查表在计算机上进行全面的审核, 是否有漏测和处理不当的地方, 并加以修改。比如注记房屋的层数与结构、单位名称、道路名称、河流名称、宗地门牌号等。如果没有问题, 则可以自动生成界址线、注记本宗地相邻界址点间的距离、界址点编号等工作, 同时交主管部门审查。

四、精度分析

用测距仪测量时, 高差公式为:

目前常用的测距仪标称精度为± (5mm+5ppm D) , 对误差精度分析如下。

测距误差的影响为:

对高差误差的影响为:

若只进行单向观测, 当距离超过300m时, 应加上地球曲率和大气折光改正数, 此时高差公式应为:

对高差误差的影响为:

五、结语

通过上面的分析与计算, 可以得出当用经纬仪测量时, 测距误差及高差误差与竖直角大小有关, 测距误差与竖直角大小成正比, 随着竖直角的增加, 测距相对误差增大。

参考文献

[1] .刘锋, 张立峰.GPS-RTK在地籍测量中的应用[J].科技创新导报, 2012, 2:101~102

[2] .刘善彬, 刘成才.GPSRTK技术在城镇地籍测量中的应用[J].中州大学学报, 2009, 3:120~122

数据精度 篇2

航空摄影测量数据采集及精度分析

航空摄影测量是一种高技术含量的遥感测绘方法.当一个地区(或测区)很大时,传统的地面测绘手段就不能适应测绘行业的.时间性要求,这时候,就必须利用航空摄影机在空中摄取地面的影像,通过外业判读,在内业建立地面模型,再通过计算机用绘图软件在模型上测量,直接获得数字地形图.JX-4C数字摄影测量工作站是一个很好的数字处理软件,处理的立体影像清晰、稳定、精度高,具有不可比拟的优势.作业员在测图时要严格按照规范、作业细则进行,保证测图的精度.

作 者：孙富余 郝飞 邢文静 SUN Fu-yu HAO Fei XING Wen-jing 作者单位：长江勘测规划设计研究院,空间公司,湖北,武汉,430010刊 名：人民长江 PKU英文刊名：YANGTZE RIVER年，卷(期)：38(10)分类号：P23关键词：航空摄影测量 JX-4C数据采集 测图精度分析

非等精度测量电阻的数据处理 篇3

非等精度测量量是指用不同的方法或不同准确度的仪器对同一测量对象进行多组重复系列测量所得到的直接测量值[3]。这是传统意义上的非等精度测量量的概念,其实质内涵是各个单次测量结果具有不同的可置信度。可用加权平均的方法来处理。还有一种非传统意义上的非等精度测量。经常遇到求两个变量的问题,若变量成直线关系y=a+bx时,通常测量多组(x,y)求其参数a,b时。例如:伏安法测电阻中每改变一次滑线变阻器滑动头的位置,读取相应的Ui(y)和Ii(x),所得到的间接测量值Ri(b)。符合非等精度测量的实质,即每个单次测量结果的不确定度均反映了本次测量结果的可置信程度,而单次测量结果的可置信度来自于对x或y的测量点选取的不同,因此这种间接测量值也属于非等精度测量值。可用加权平均的方法来处理数据,也可用最小二乘来处理数据[3],若a=0时,不考虑B类不确定度时两种方法等效[4]所以,对伏安法测电阻的实验数据应采用非等精度测量量的处理方法。非等精度测量量的处理方法常用两种方法。

2 非等精度测量数据的处理方法

2.1 加权平均法

2.1.1 最佳估计值要用加权平均的方法

非等精度测量值x1,x2,…,xn的不确定度分别为u(x1),u(x2),…,u(xn),各个测量结果的可靠程度不一样。则其最佳估计值为:

其中wi为第i次测量的权,一般与该次测量的标准不确定度的平方成反比,即

2.1.2 非等精度测量量的标准不确定度

非等精度测量量的标准不确定度为

2.2 直线的拟合及其不确定度

2.2.1 直线的拟合

对(X,Y)独立测得(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。由于测量误差的存在,由于测量误差的存在,要使直线穿过所有点是不可能的。但可以假设xi相对于yi,其测量不确定度很小,可以忽略,yi具有相互独立、分布(正态)相同的测量误差。因此,可以利用最小二乘法原理(各点到这条直线的纵坐标差的平方和最小),拟合直线y=a+bx,实际上是求参数a和b的值[3]。将(xi,yi)代入y=a+bx,将出现残差υi,残差方程为:υ1=y1-(a+bx1);υ2=y2-(a+bx2)…υn=yn-(a+bxn)。参差平方和∑υ2i由最小二乘原理,解的回归系数

2.2.2 直线的不确定度

将b、a代回残差方程,可得到各υ1和。yi的标准差(σ)的估计s(实验标准差):

3 伏安法测电阻的数据处理方法

3.1 加权平均法

以外接法为例,设每改变滑线变阻器滑动头的位置,电压表、电流表的读数分别为Ui和Ii,假设经过了n次测量。数据处理方法如下

①计算单次测量的电阻阻值

②计算单次测量的不确定度:由于每单次测量时,直接测量量为Ui和Ii,Rxi为间接测量量,故单次测量量Rxi的不确定度应按照间接测量量的不确定度计算公式进行。

式中u(U)是直接测量量Ui的不确定度,u(I)是直接测量量Ii的不确定度。由于每组Rxi都是单次测量的,故评定该单次测量量的不确定度时仅考虑B类评定,即。其中ΔU,ΔI分别为所使用的电压表、电流表的极限误差,并假设两仪表误差均匀分布。若电压表的准确度等级为α,量程为Umax,电流表准确度等级为β,量程为Imax,则ΔU=α/100×Umax,ΔI=β/100×Imax。

③将每单次的测量结果表示成:Ri=Rxi±u(Rxi),并对该结果按照非等精度测量量的数据处理方法进行加权处理。

3.2 拟合直线方程法

以外接法为例,设每改变滑线变阻器滑动头的位置,电压表、电流表的读数分别为Ui和Ii,假设经过了n次测量。数据处理方法如下

4 数据处理举例

用外接法测量一阻值约为3Ωμ电阻。测量仪器为:电压表,准确度等级0.5级,量程1V电流表,准确度等级0.5级,量程300mA。测量数据见表1。

4.1 加权平均处理结果(表2)

测量结果表示为:R=3.858±0.008(Ω)。

4.2 直线拟合处理结果

根据实验数据计算得

代入方程(1)可得测量值最佳估计值

再将代回方程(2)计算得

测量结果表示为:R=3.86±0.04(Ω)。

5 结束语

从测量结果看两种方法不一致,但都在要求范围内,两种方都同时考虑B类不确定度,符合不确定度的要求,直线拟合只时若x,y都有误差时应用戴明法拟合。

参考文献

[1]杨述武.普通物理实验(电磁学部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]杨韧.大学物理实验[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[3]吴石林,张玘.误差分析与数据处理[M].北京:清华大学出版社,2010.8.

数据精度 篇4

提高可靠性数据分析精度的一种有效方法

为更加准确地掌握导弹某部件的寿命规律,提高导弹某部件的可靠性数据处理精度,使得可靠性寿命模型更加符合实际情况,本文指出传统的平均秩次法在计算经验分布函数中存在的不足,提出一种改进的.平均秩次法,实例结果证实了改进方法的有效性.

作 者：方华元 胡昌华 黄莹 陈伟 FANG Hua-yuan HU Chang-hua HUANG Ying CHEN Wei  作者单位：第二炮兵工程学院,陕西,西安,710025 刊 名：电光与控制  ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)：2006 13(1) 分类号：V271.4 TP302.7 关键词：经验分布函数   平均秩次   威布尔分布  

数据精度 篇5

地球大气无线电GPS掩星探测技术在新世纪发展迅速,对其研究也颇为广泛和深入。考虑到地球特殊的空间环境,给出了地球大气全球范围探测的新思路:GPS掩星探测。它通过测量穿过大气层信号的延迟(减速和弯曲引起),从而反演出大气中的参数信息,这种方法也称为“天基GPS气象学”[1]。

相比于传统大气探测手段,掩星探测技术具有高垂直分辨率、高精度、长期稳定、全球覆盖、全天候和花费较低廉等优势,其探测资料对于提高数值天气预报精度、临近空间环境监测与研究、气候与全球变化研究、大气模式研究和数据同化等方面都具有重要的科学研究意义,在气候学、气象学、电离层和测地学等领域具有重大的科学研究价值和广泛的实际应用前景[2,3]。

ROPP由EUMESAT下属的科研机构GRAS开发,其最初的目的是用于处理Metop数据,但是事实上,通过调整软件的配置,可以用于处理其他的GPS-LEO掩星数据,比如COSMIC,CHAMP和SAC-C等。在掩星数据处理过程中,ROPP可以用于对无线电掩星数据进行预处理和质量控制,还可以把掩星数据同化到NWP或者其他模式中。

1ROPP掩星处理软件及反演原理

天基GPS气象学的原理可描述为:在低轨LEO卫星上安装双频高动态的GPS接收机,对GPS卫星进行临边观测。当GPS信号发射并穿过电离层和中性大气层时,由于介质垂直折射指数变化,导致对电波的折射作用,使信号路径发生弯曲。因此,在GPS接收机接收到的信号中,存在信号轨迹的弯曲和信号载波相位的延迟,将附加相位(相位超出量)转换成信号弯曲量(弯曲角)和碰撞参量曲线图(它们是描述几何光学轨迹的几何参数);反过来又可以通过Abel积分获得大气折射率廓线,从而进一步反演得到气压、密度、温度和水汽压等大气参数廓线及电离层电子密度廓线[1,2,4,5]。

1.1ROPP 软件介绍

ROPP是Radio Occultation Processing Package 的简称,即无线电掩星数据处理包。该软件包括了ropp_io,ropp_pp,ropp_fm,ropp_1dvar和ropp_utils五个模块,这些模块之间的相互关系见图1。

图1中ropp_io用于输入输出数据;ropp_pp模块用于对无线电掩星数据进行预处理,即从获取的附加相位中反演出弯曲角和折射率;ropp_fm和ropp_1dvar用于将计算出来的折射率和弯曲角反演出需要的大气参数;ropp_utils模块用于存储前面四个模块中使用的一些程序。另外,图1中还给出了ROPP各模块中主要使用的函数名。

1.2ropp_pp模块的算法原理

ROPP预处理模块(ropp_pp)中,可把一次掩星测量中测量到的L1和L2上振幅和附加相位处理成弯曲角的反演廓线,其中L1和L2的振幅和附加相位用时间表示,而弯曲角用碰撞参数表示。程序包括了对测量数据进行预处理和滤波[ropp_pp_preprocess()]和通过几何光学算法计算弯曲角[ropp_pp_bending_angle_go()]和波动光学算法(CT2)计算弯曲角[ropp_pp_bending_angle_wo()]。此外,还可对测量到的L1和L2弯曲角数据进行电离层修正[ropp_pp_ionospheric_correction()],并对修正后的弯曲角剖面进行Abel变换得到折射率。具体原理如下。

一束电波从GPS出发穿过大气层,到达LEO卫星。由于大气层折射率n的梯度变化,光波在大气层发生折射。一般而言,在圆形极坐标下,二维光波路径方程如下:

$\begin{array}{l}\frac{\text{d}r}{\text{d}s}=\cos \phi (1)\\ \frac{\text{d}\theta }{\text{d}s}=\frac{\sin \phi }{r}(2)\\ \frac{\text{d}\phi }{\text{d}s}=-\sin \text{ϕ}\left[\frac{1}{r}+\frac{1}{n}\left(\frac{\partial n}{\partial r}\right){}_{\theta }\right]+\frac{\cos \phi }{nr}\left(\frac{\partial n}{\partial \theta }\right){}_r(3)\end{array}$

这里,s是光波经过的距离,n是折射率,ϕ是局部半径与入射光切线的夹角。在球对称的理想情况下,

$\left(\frac{\partial n}{\partial r}\right){}_r=0(4)$

则

$a=nr\text{s}\text{i}\text{n}\text{ϕ}=cons\text{t}\text{a}\text{n}t(5)$

这也即著名的Bouguer定理(e.g.,Born and Wolf,1980)。常量a称为碰撞参数。在GPS无线电掩星测量的处理中,认为在GPS卫星上的a值和在LEO卫星上的aG、aL值相等。碰撞参数还决定了光路上切点的高度。如果光路的切线与位置向量垂直(ϕ=90°),得到sinϕ=1,从而

$a=n{}_{\text{t}}r{}_{\text{t}}(6)$

rt为曲率中心到切点的距离。由给出的折射率和几何高度,可以计算出碰撞参数。

$a=n(h+R{}_{\text{c}})(7)$

式(7)中,Rc是地球(椭球)在切点的曲率半径,h是参考椭球的几何高度。

注意到如果球对称假设不满足,两颗卫星各自的碰撞参数aG和aL将会不同。

在球对称假设下,弯曲角α(a)为沿光波路径的常量,可由积分得出

第二个表达式可由x=nr替换得到。方程中负号的意义表示弯曲角朝向地球表面为正。

无线电波穿过大气层时路径的弯曲量由光路所在介质的折射系数决定。为了方便,折射率N通常用折射系数代替,他们的关系为

${\rm N}=(n-1)\times 10{}^6(9)$

在地球大气层微波频段,N与干燥的中性大气层、水蒸气、电离层中的自由粒子及颗粒有关。

${\rm N}=\kappa {}_1\frac{p{}_{\text{d}}}{{\rm T}}+\kappa {}_2\frac{e}{{\rm T}}+\kappa {}_3\frac{e}{{\rm T}{}^2}+\kappa {}_4\frac{n{}_{\text{e}}}{f{}^2}+\kappa {}_{5}W(10)$

第一项是干燥的中性大气层对N值的贡献,P为总的大气压强,T为温度。第二项和第三项是水蒸气对N值的贡献,e为部分水蒸气压强。第四项是电离层中的自由粒子对N值的贡献,ne为电子密度,f为无线电信号发射频率。最后一项是散射,主要为小云滴对N值的贡献,W为含水量。

对于无线电掩星探测,散射项通常忽略不计,而电离层影响在预处理中被消除,比如弯曲角的电离层校正。ROPP中的前向模块仅处理中性大气层的折射率。

不考虑非理想气体带来的影响,与大气参数相关的折射率可由3项表示为

${\rm N}=\kappa {}_1\frac{{\rm P}{}_{\text{d}}}{{\rm T}}+\kappa {}_2\frac{e}{{\rm T}{}^2}+\kappa {}_3\frac{e}{{\rm T}}(11)$

通过Abel积分可以由折射率指数得到弯曲角

$\alpha (a)=2{\displaystyle \int }{}_{r{}_{\text{t}}}^{\infty }\text{d}\alpha =2{\displaystyle \int }{}_{r{}_{\text{t}}}^{\infty }\frac{1}{\sqrt{r{}^2-n{}^2}}\frac{\text{d}\text{l}\text{n}(n)}{\text{d}r}\text{d}r$=

$-2a{\displaystyle \int }{}_a^{\infty }\frac{1}{\sqrt{a{}^2-x{}^2}}\frac{\text{d}\text{l}\text{n}(n)}{\text{d}x}\text{d}x(12)$

第二个表达式中使x=nr。式(12)中的负号表示向地球表面的弯曲是正的。式(12)能够通过Abel变换进行逆变换,所以对于一个给定的修正后的弯曲角廓线α(a),折射率指数可以表示成

$n(r)=\exp \left[\frac{1}{\text{π}}{\displaystyle \int }{}_x^{\infty }\frac{\alpha }{\sqrt{a{}^2-x{}^2}}\text{d}a\right](13)$

1.3ropp_fm和ropp_1dvar模块的算法原理

ROPP前向模块(ropp_fm)程序可以根据背景场温度、湿度和压强数据计算得到弯曲角和折射率廓线[4]。

一维变分反演方法取代了过去无线电掩星数据处理中心传统的干温反演方法,解决了无线电掩星测量过程中对流层温度/湿度模糊度的问题,还为从其他掩星探测中获得的平流层温度提供了一种强有力的上边界初始化方法。

ROPP一维变分模块(ropp_1dvar)程序可以根据大气及其相关误差的状态量的先验知识,用已经测得的折射率廓线反演大气温湿压廓线。这一过程通过其子程序ropp_1dvar_solve对其二次价值函数J(x)的最小化得以实现[3]:

$\begin{array}{l}\mathit{J}(x)=\frac{1}{2}(\mathit{x}-\mathit{x}{}_{\text{b}}){}^{\text{Τ}}\mathit{B}{}^{-1}(\mathit{x}-\mathit{x}{}_{\text{b}})+\frac{1}{2}(\mathit{y}-\mathit{{\rm H}}[x]){}^{\text{Τ}}\times \\ (\mathit{{\rm O}}+\mathit{F}){}^{-1}(\mathit{y}-\mathit{{\rm H}}[x])+\mathit{J}{}_{\text{c}}(x)(14)\end{array}$

式(14)中,x为大气状态向量的最大似然值,xb为背景场状态向量,y为观测向量,B为背景场状态向量的误差期望协方差矩阵,H[x]为观测算子,它将状态向量x映射到观测向量空间,O为观测向量的误差期望协方差矩阵;F为观测算子的误差期望协方差矩阵;Jc(x)为附加惩罚函数,它通常代表系统中其他的动力学和物理约束。

2反演结果精度分析

为分析ROPP处理得出的大气温湿压廓线(NSSC)与UCAR数据处理中心CDAAC的结果的吻合程度,现给出二者对比结果。

由于所采集数据具有高分辨率、高密度,且覆盖范围广,因而得到的结果可靠性很高。用cosmic卫星观测到的其中一组掩星数据atmPhs_C001.2008.001.00.07.G28_2010处理结果研究。

2.1折射率

如图3所示。

2.2大气参数

如图4～图6所示。

3结论

由上述几张图可以看出,折射率的吻合程度较好。在10～30 km高度范围内,反演出来的折射率廓线与CDAAC处理的结果误差约为1%之内。而在30 km以上折射率误差较大,但也为2%之内,而在10 km以下折射率误差波动比较大,最大约为5%。经过分析,在30 km以上的主要误差来源是电离层修正不完全和接收机跟踪误差,而在10 km以下的误差主要来自于大气水汽模糊度无法确定。

而大气参数(温度、压强和比湿)的误差比折射率的误差要大,主要原因是在数据同化过程中使用背景数据,从而引入了背景数据误差。背景数据误差对比湿的影响较小,而对温度和压强较大。比湿在8 km以上几乎为0,而在8 km以下因为水汽梯度变化较大,导致了误差发生了剧烈波动。

本次实验的不足在于压强和温度的误差在25 km以上和10 km以下较大。主要误差来源包括电离层修正的影响、接收机噪声、水汽模糊度还有数据同化的方法。

参考文献

[1]严豪健,符养,洪振杰,等.天基GPS气象学与反演技术.北京:中国科学技术出版社,2007

[2]宫晓艳.大气无线电GNSS掩星探测技术研究.北京:中国科学院空间科学与应用研究中心,2009

[3]胡雄,曾桢,张训械,等.大气GPS掩星观测反演方法.地球物理学报,2005;48(4):845—853

[4]蒋虎,黄城,严豪健.无线电掩星反演大气参数误差分析及应用进展.地球物理学进展,2001;16(1):82—89

[5]胡雄,曾桢,张训械,等.无线电掩星技术及其应用.电波科学学报,2002;17(5):549—556

高精度多路数据采集系统的设计 篇6

A/D转换在电子测控系统中被广泛使用,温度、压力等非电量的测量,电压、电流等电量的测量,一般都是通过单片机(或其他控制芯片)控制A/D转换实现。在转换速度要求不是太高的情况下,一般都采用串行A/D芯片,占用单片机的口线资源少,串行扩展式测控系统是当今的发展趋势[1]。但串行A/D芯片的模拟通道少,不能满足多路信号的测量,本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549为例,设计具有多通道高精度数据采集系统。

1 系统方案设计

数据的采集有两种方法实现:A/D转换和V/F转换。从转换方式上,A/D转换又分为积分A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器等;从接口形式上又分为并行A/D和串行A/D。V/F转换是将电压信号转换为频率信号,然后测出频率再计算出物理量,它需要用计数器来测量频率,只适合信号较少的场合[2]。

目前在以单片机为核心的测量控制系统中,A/D,D/A、存储器等功能部件流行串行接口,可供选择串行接口芯片的种类也日益增多[3]。本课题采用10位串行A/D芯片TLC1549,它是一款单通道逐次逼近A/D芯片。本课题通过提升它的测量分辨率,使之达到12位的精度,用电子开关扩展输入通道,使其能对八路信号进行数据采集[4]。

1.1 提升A/D分辨率方法

图1是提升A/D分辨率的原理电路,其原理是通过调整其转换的参考电压,并将输入信号分档处理,从而提高测量转换的分辨率。

如参考电压设为5 V时,对5 V满量程转换,分辨率为:d=5/1 024;如果将参考电压设置为2.5 V,对2.5 V满量程转换,分辨率为:d=2.5/1 024。显然后一种情况A/D转换的精度高,是前者的一倍,测量精度达到11位,即将10位的A/D芯片提升到11位A/D的分辨率。以此类推,10位的A/ D芯片也可以设计成达到12位A/D分辨率。从图1可以看出,只要能对输入的信号进行分档处理,使输入到A/D芯片的电压信号小于等于1.25 V,将A/D转换的参考电压也设置为1.25 V,则10位A/D转换精度可以达到12位。

1.2 八通道12位数据采集器原理图

TLC1549只有一路模拟量输入通道,为达到设计八个通道要求,通过八选一模拟电子开关扩展其八路通道,本系统用TLC1549设计的八路数据采集器原理框图如图2所示,包括模拟电子开关、量程分档处理、10位串行A/D、显示电路、单片机系统五部分。

2 系统硬件电路设计

2.1 电子开关电路设计

图3为模拟电子开关设计的八路A/D输入通道。模拟电子开关采用CD4051。CD4051是八选一电子开关,图4为其引脚图。A0~A7为八路输入端,A为开关输出端,E为芯片使能引脚,VEE是负电源,VCC为正电源,GND为电源地,S0~S2为八路开关选择控制。由于CD4051的电子开关导通时有100 Ω左右的电阻,为消除开关电阻对输入信号的影响,选通的信号通过跟随器再送给后面的电路,同时提高输入通道的输入阻抗。820 kΩ电阻是为了消除通道悬空时跟随器不稳定输出[5]。本系统中采用AT89S51单片机,通道切换通过单片机P1.0~P1.2口分别控制CD4051的S0~S2引脚,选择其中一路电子开关接通。

2.2 量程分档处理电路设计

2.2.1 量程切换电路

图5为量程切换电路。将电子开关输出的模拟电压分别通过跟随器和三个减法运算电路,减法器的反向输入端分别加固定电压:1.25 V,2.5 V,3.75 V。可以得到四组电压输出信号:V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的电压,分别加到模拟电子开关的四个输入端,电子开关仍然用CD4051,在输入信号0~5 V变换过程中,上述四组信号中,必有一组信号在0~1.25 V间,通过对电子开关的控制,使该组信号通过电子开关,再经过跟随器送给A/D芯片进行A/D转换。由于只有4路信号切换,将CD4051的S2接地,S0,S1分别用单片机P1.3,P1.4口控制。选择哪路信号作为A/D转换信号,可以通过图6所示的量程判别电路,用单片机口检测。

2.2.2 量程判别电路

图6为量程判别电路。三个比较器的基准分别取1.25 V,2.5 V,3.75 V,当输入电压大于基准时比较器输出高电平,否则输出低电平,将比较器的输出分别送给单片机的P1.5,P1.6,P1.7口检测。

2.3 显示电路的设计

显示电路采用LCM103,LCM103为10 位多功能通用型八段式液晶显示,模块内含看门狗(WDT)/时钟发生器,内置显示RAM[6],其接口电路如图7所示。$\overline{\text{C}\text{S}}‚\overline{\text{R}\text{D}}‚\overline{\text{W}\text{R}}$,DATA分别用P2.0~P2.3口控制,最高位显示通道号,后面4位显示数字量,空一位,最低4位显示电压值,显示每秒刷新一次。

2.4 串行A/D接口电路的设计

串行A/D接口电路采用的TLC1549,它是一个10位的逐次逼近式A/D芯片,其接口电路如图8所示[7]。参考电压接1.25 V,可以将1.25 V以下的模拟量转换10位的数字量,转换的分辨率与5 V转换为12位数字量的分辨率相同,实现了由低分辨率A/D进行高分辨率的A/D转换。实际的转换结果与选择的量程有关,设A/D转换结果的结果为X,则四种状况的实际结果分别为:

X,被测信号<1.25 V,A0接通;

X+1 024,1.25 V≤被测信号<2.5 V,A1接通;

X+2 048,2.50 V≤被测信号<3.75 V,A2接通;

X+3 072,被测信号≥3.75 V,A3接通。

2.5 单片机系统及电源电路的设计

单片机选择AT89S51单片机,不采用扩展电路,直接用单片机的输入输出口线控制外围接口电路。取系统的晶振荡频率为12 MHz,机器周期为1 μs。程序存储器空间采用单片机内部的程序存储器[8]。

电源电路由运算放大器构成的减法器等模拟信号处理电路组成,原理上有负电压输出,系统电源应有正负电源,取±12 V,单片机系统需要的+5 V电源由+6 V经LM7805稳压得到。采用初级是220 V次级输出双12 V的电源变压器降压,经过桥式整流、滤波,通过LM7812,LM7912三端稳压块稳压,得到±12 V电源[9]。

3 系统软件设计

图9为设计的A/D转换程序流程图[10]。

4 结 语

本设计通过利用10位的串行A/D芯片TLC1549,通过精度提升的方法实现12位A/D转换;控制TLC1549的参考电压和切换输入模拟信号的幅度实现;用CD4051模拟电子开关实现了对串行A/D芯片的输入通道扩展,进而实现了高精度多路数据采集。

参考文献

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[2]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991.

[4]王利军.TLC1549串行传输与单片机的A/D设计[J].国外电子元器件,2007,11(6):78-80.

[5]胡宴如,耿苏燕.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6]李敏,孟臣.串行中文图形液晶显示模块在单片机系统中的应用[J].电子产品世界,2002,6(11):23-26.

[7]王子章.串行模数转换器TLC1549在心脏监护仪中的应用[J].电子技术应用,1999,6(12):51-53.

[8]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.

[9]杨文龙.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1993.

数据精度 篇7

1 机械加工中精度数据控制的涵义

机械加工过程中, 通常会遇到一些问题, 其中机械加工成品的各个表现和最初的设计有着很大出入, 其中最为明显的问题是加工成品的数据信息和设计时的数据信息出现非常明显的差距, 通常被叫做加工误差。在机械零件加工过程中, 要注意三个方面的精度数据控制。

第一方面是机械加工对象的尺寸精度数据控制, 机械加工过程中不仅要数据控制加工产品表面的尺寸误差, 还要严格数据控制加工产品的基准误差。在进行机械加工之前, 要设定一定的尺寸精度, 严格数据控制机械加工产品的实际值和设计值两者之间的大小, 其差值必须在规定的限制区间内。因此, 在机械加工过程中, 尺寸精度数据控制是非常重要的一项内容。

第二方面是对几何形状的精度数据控制。在机械加工工人零件加工过程中, 要根据几何形状的精度对加工零件的形状误差进行数据控制, 必须使误差值在规定的范围内。一般情况下, 机械加工过程中用到的几何精度包括平面度、直线度等。

第三个方面是对相互位置的精度数据控制。这一指标是机械加工工人对加工产品的表面和基准之间的位置误差所制定的一项指标。经常用到的有平行度、同轴度、位置度、垂直度等。

以上三个方面的精度共同组成了机械加工中应当严格数据控制的加工精度要素。机械加工中的误差出现的原因有很多方面, 误差是不可避免的。但是通过一定的技术手段, 可以把误差数据控制在最小范围内。因此, 精度数据控制在机械加工中的作用变得尤为重要。

2 对质量、精度产生影响的因素分析

2.1 机床因素

机械加工主要是通过机床完成的, 机床存在的几何误差不仅能对加工质量产生不良影响, 而且还会对加工精度产生不良影响。机床存在的几何误差出现的原因主要是两个方面的原因, 一个是主轴在回转过程中出现了误差, 另一个是在机床的传动链传动过程中出现了误差。以上两种误差因素是导致机械加工质量问题的主要原因。

2.2 定位因素

在进行机械加工之前, 必须先进行定位。因此, 定位是整个过程中非常重要的步骤。在进行定位时会出现一定的误差, 通常被称作定位误差。导致出现定位误差的原因可以从两个方面进行分析:首先是在机械加工过程中, 对定位的实际选择和设计定位之间存在一定的误差值, 这个误差值的产生直接导致了定位误差的出现。其次是在进行机械加工过程中, 由于不能准确的使用定位元件, 在进行定位是大大超出了误差的限定范围, 由此形成的定位误差占有非常大的比重。

2.3 调整因素

在进行机械加工过程中, 会因为实际情况对加工设计进行调整, 调整幅度不容易数据控制, 导致机械加工中误差的出现, 而这种误差不仅对加工质量造成影响, 还会对加工精度造成影响。

2.4 工艺系统变形因素

机械加工的工艺系统在加工过程中, 会受到很多外界因素的影响造成变形现象, 而这种变形直接导致误差的产生, 进而影响到加工质量。造成系统变形的原因主要有两个方面:一个是工件的刚度;另一个是刀具的刚度。这两个方面导致机械加工的工艺系统容易发生变形。

2.5 刀具因素

由于刀具因素导致的误差被称为刀具误差。刀具误差产生的原因主要是在机械加工过程中, 由于刀具的磨损造成了加工对象的加工尺寸与设计尺寸出现的误差。刀具因素导致的误差是机械加工中比较突出的因素。刀具误差的表现形式会因为刀具的差异产生不同的影响, 但是总体上都会造成加工对象在质量和精度上出现大的误差。因此, 机械加工企业通常会通过设置几何参数来降低刀具因素导致的误差。

3 提高质量和精度数据控制技术的对策

通过对影响机械加工中的表面质量和精度的因素的分析可以得知, 要想提高质量和精度就要找到针对各种影响因素的解决对策。限制误差是提高表面质量和有效进行精度数据控制的重要措施, 可以采用的方法主要有三种:

3.1 减少机械加工的原始误差

机械加工的原始误差产生于机械加工机具自身, 主要表现是机床和刀具两方面所产生的误差。因此, 提高机床等设备的精度, 可以减少误差值, 同时还要采取有效措施, 减少或是避免由于受热所引起的设备变形造成的误差, 例如避免在机械加工中的刀具磨损。为了降低原始误差值, 可以在机械加工开始前, 对加工设备产生的误差进行科学评估, 并进行严格数据控制, 以达到提高表面质量的目的, 实现对机械加工的精度数据控制。

3.2 误差补偿

在机械加工过程中出现误差是不可避免的。为了把误差的影响降到最低, 可以采用人为的制造误差的方法来进行误差补偿, 这种方式已经被广泛的应用在机械加工中。

3.3 误差分化

误差分化指的是分化原始的误差, 实现消减原始误差影响的方式。这种方式属于一种管理方法, 是对机械加工中出现的各种风险的统一管理。在机械加工企业中误差分化管理方法被广泛的应用, 其特点是对原始误差进行从大到小的分散管理, 达到降低原始误差影响的目的。

4 结语

通过对机械加工过程中精度涵义的分析可以看出, 影响机械加工表面质量和精度数据控制的因素有很多, 最主要的还是在机械加工的各个工序中出现的种种误差, 导致加工精度的降低, 造成产品表面质量不高。针对出现各种误差的原因, 提出了解决对策, 以实现提高机械加工中表面质量和精度数据控制的目的。

摘要：在工艺系统中有两个非常值得关注的问题是表面质量和精度的数据控制。这两个问题可以作为评价机械加工水平高低的衡量标准。随着机械加工业技术的不断创新, 提高机械表面质量和对精确度进行数据控制是企业提升竞争力的首要任务。本文对机械精度的内涵进行了阐述, 并对在机械加工中如何提高表面质量和精确数据控制技术进行了研究, 找到了相应的对策。

关键词：表面质量,机械加工

参考文献

[1]赵金宇, 李杨.浅谈机械加工中精度数据控制因素[J].科技致富向导, 2012 (09) :364.

数据精度 篇8

将以GAMIT10.40 版本研究在Ubuntu11.04下的安装及高精度基线处理流程, 最后通过实验研究不同处理策略对GAMIT的解算精度影响。

1 GAMIT软件介绍与安装

1.1 GAMIT软件

GAMIT软件处理双差观测量, 利用最小二乘法进行参数估计, 利用双差观测量可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响, 同时明显减弱大气折射误差、轨道误差等系统性误差的影响。

GAMIT软件主要功能和特点:① 卫星轨道和地球自转参数估计;② 地面测站的相对定位计算;③用模型改正各种地球物理效应 (极移、岁差、章动、潮汐等) ;④对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数估计;⑤支持接收机天线相位中心的ELEV (随卫星的高度角变化) 模型改正 (现在IGS推荐应用绝对相位中心改正) ;⑥可选观测值等权, 反比于基线长度或随高度角定权;⑦同时提供载波相位整周模糊度分别为实数和整数的约束解及松弛解;⑧数据编辑可人工干预 (CVIEW) , 也可自动处理 (AUTCLN) 。

1.2 GAMIT软件安装中应注意的问题

GAMIT运行于LINUX操作系统上, 而目前应用最普遍的是Microsoft公司的Windows系列操作系统, 通常在PC机上安装GAMIT的做法是安装Windows和LINUX双系统, 然后在LINUX系统上安装和使用GAMIT软件。但在实际应用中需要在LINUX和Windows操作系统间来回切换时, 需要重启系统, 给应用带来不便。VMwareworksta-tion (VMware) 是一种能虚拟安装各种操作系统的专业软件, 可以虚拟包括Windows系列操作系统以及多种LINUX发行版的硬件环境, 在VMware中虚拟的每个操作系统都是相对独立的, 每个虚拟的系统都相当于一台独立的并带有系统的机器。由于虚拟机运行时使用同一个虚拟BIOS以及一系列统一的虚拟硬件, 在一定程度上实现了虚拟机的硬件无关性, 并且客户操作系统中的所有内容在主机上以文件形式存在, 所以又具有可携带性和可迁移性。本文安装的是VMware7.0 的虚拟机, 安装时只需双击安装包, 选择路径, 默认配置即可。

本文以GAMIT10.40在Ubuntu11.04下安装为例进行说明。

1) Ubuntu系统的初步配置。打开终端, 具体方式是applications→accessories→terminal。

运行:

2) 安装GAMIT。 定位到gamit的下载路径 (即安装路径) 准备工作:

chmod +x install_software

修改install_software文件内容“usr-name libX11.a”为“usr-name libX11.so”, 一个是静态共享库, 一个是动态共享库。GAMIT路径/libraries压缩包里, 修改Makefile.config和Makefile.config.bak中的一组参数:

MAXSIT 55

MAXSAT 32

MAXATM 13

MAXEPC 2880

将MAXATM改为25。 执行./install_soft-ware。

安装程序install_software启动, 搜索安装目录/opt/gamit10.40 下的全部压缩文件, 提示GAMIT and GLOBK to be installed into/opt/gamit10.40

Continue? (y/n)

输入字母“y”, 开始解压缩安装文件。系统提示是否应用更新, 输入字母“y”, 开始解压缩更新文件。然后系统会提示一些配置信息是否正确, 输入字母“y”, 提示

输入字母“y”, 开始安装。最后提示软件安装成功, 同时需要对可执行程序路径、HELP_DIR和INSTITUTE进行环境变量设置。至此, 软件已经安装成功。

2 应用GAMIT进行高精度GPS基线处理

算例以IGS GPS跟踪站BJFS (北京市房山) , KUNM (昆明市) 站作为观测点。计算处理2013-1-2一天的数据量, 即2013 年年积日为002, GPS周为1 721, 星期三, 同时规定BJFS站点为已知站点, 处理BJFS-KUNM基线。操作流程如下:

1) 打开FTP, 到服务器上下载tables中文件, 将下载文件保存到gg文件夹下的tables中, 进行文件更新 (通常来自IERS的地球自转参数表ut1.、pole.需要每日或周更新;章动表nutabl.、太阳星历表soltab.、月亮星历表luntab.、跳秒表leap.sec需要每年更新;接收机/天线列表rcvant.dat在有新仪器使用时需要更新;卫星列表svnav.dat在有新卫星使用时更新;码偏文件 (P1-C1、P1-P2) dcb.dat需要月更新;理论上每次解算时需全部更新) 。

2) 打开系统终端 (ctrl+alt+T) , 输入mkdir sy2013, 创建工程文件夹。

3) cd sy2013:进入sy2013文件夹。mkdir brdc rinex igs:创建三个文件。同时也对tables文件夹中的6 个文件进行制作及编辑:包括3 个测站相关文件:测站列表sites.defaults, 测站信息文件sta-tion.info, 测站近似坐标文件lfile.;3个处理控制文件:process.defaults (目录信息等) , sittbl. (坐标约束) , sestbl. (具体处理模型等配置)

4) sh_setup-yr 2013-doy 002:在sy2013路径下创建tables文件夹, 并将常用的文件引用和拷贝到tables文件夹中。

5) cd tables:进入tables文件夹。

6) gedit sites.defaults:在当前路径下对sites.defaults文件进行编辑, 主要为加入要处理的站点名称和工程名称。

7) 手动下载brdc, igs, rinex文件夹下相应的文件 (也可在终端通过输入sh_get_process.defaults文件中默认的服务器上取得相应的文件。

8) cd tables:进入tables文件夹, 准备编辑sta-tion.info文件。

9) sh_upd_stnfo-ref station.info-f../rinex/*.13o:对各测站o文件中的测站信息进行提取并写入到station.info中, 完成station.info文件编辑。

10) gedit station.info:查看station.info是否生成成功;下面准备编辑lfile.文件, 首先将itrf00.apr中已有站点的概略坐标提取出来, 然后在利用观测文件将其它站点的概略坐标计算出来, 最终生成lfile文件。

11) grep bjfs itrf00.apr>coord.apr:将bjfs站的概略坐标从itrf00.apr中提取出来, 创建co-ord.apr文件, 并将概略坐标写入到coord.apr中。

12) cd..:退出tables文件夹。

13) cd rinex:进入rinex文件夹, 准备利用观测文件将未知站点的概略坐标计算出来。

14) sh_rx2apr-sitekunm0020.13o-nav../brdc/brdc0020.13n-refbjfs0020.13o-apr../tables/

itrf00.apr:根据kunm和bjfs站的观测文件, 进行kunm和bjfs站间的双差基线求解, 最终生成kunm.apr和lfile.kunm文件。

15) cat*.apr> tmp.apr:将所有新生成的未知站点概略坐标文件合并到tmp.apr文件中。

16) 将tmp.apr中内容都拷贝到coord.apr中。

17) cd..:退出rinex文件夹。

18) cd tables:进入tables文件夹。

19) gapr_to_l coord.apr lfile.“”2013:根据co-ord.apr生成lfile.文件。

20) gedit process.defaults:对整体处理参数文件process.defaults进行修改。

21) gedit sestbl.:对测段信息控制文件sestbl.进行修改。将choice of experiment=BASELINE改为choice of experiment= RELAX。

22) gedit sittbl.:对测站信息控制文件sittbl.进行修改。

23) cd..:退回到sy2013文件夹下

24) sh_gamit-d 2013 002-expt gcmc-noftp >sh_gamit.log:对2013年002天gcmc工程下的站点数据进行基线解算, 将计算过程保存在sh_gamit.log文件中。

25) 解算结束后, 到002各文件夹中查看ogcm-ca.002 文件, 关注:①Postfit nrms:一般要小于0.3;②基准站的adjust项的改正数不能太大;③各测站间基线量及精度。以上为基线解算的完整步骤流程。打开工程文件夹, 查看:“002”子文件夹下的“ogcmca.002”从结果中可以看出均方差值, 其值一般要小于0.3, 还能够得出两点的三维坐标以及在各个方向的中误差, 还有基线的长度和中误差。

3 不同控制参数对解算精度的影响

在GAMIT的使用过程中, 原始观测数据会对解算精度产生影响, 采用不同的数据处理策略也会影响解算精度。数据处理策略通过采用不同控制参数来形成, 采用不同的控制参数可以用来达到不同解算目的, 但精度也会受到影响, 为了能得到理想精度的解算成果, 下面分析其对精度的影响。控制参数选择截止高度角和观测量, 这两类参数在解算过程中使用较多, 能比较全面地反应控制参数对精度的影响, 基线选择为KUNM (昆明市) -BJFS (北京市房山) , 精度指标选择标基线分量误差, 准化均方根残差 (nrms) 和基线长度的误差。

在批量处理前对tables路径下sestbl.文件进行编辑, 分别对截止高度角和观测量进行修改, 见图1。

通过图1可以看出, 截止高度角从0°到20°, 误差呈微量减小趋势, 但都在0.27左右, 表明解算结果都比较可靠。当截止高度角在0°~10°的时候, 各方向向量的中误差始终不变, 当高度角大于10°时, 图象呈上升趋势, XYZ三个方向的误差增加, 基线长度相对误差逐渐变大。由此可以看出, 在截止高度角低于10°的时候, 观测所用到的卫星基本一致。而截止高度角大于10°, 解算的精度下降, 证明有些质量较好的卫星被舍去, 对观测数据也受到了影响。不过高度角太低时路径延迟对水汽变化非常敏感, 因此在一般的解算情况下选择10°的截止高度角比较适宜。

m

根据表1 和表2 的实验结果, 当以LC_AU-TCLN (观测值为无电离层的线性组合) 作为基准观测量时, LC_HELP和L1&L2这两种观测量的各方向及基线长度偏差很小, XYZ的偏差在5mm。基线长度的偏差更是达到了2mm。而L1_ONLY和L2_ONLY两观测量的各偏差达到了几米, 精度明显不符合要求。

由实验可知KUNM-BJFS的基线长度达到2 000km以上。由于单频不能有效消除电离层延迟影响, 所以单频不能用于长基线的精密定位。双频可以同时接收L1、L2载波信号。利用双频对电离层延迟的差别, 可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响, 因此双频可用于长达几千公里的精密定位。

4 结束语

数据精度 篇9

关键词：煤层厚度,预测,波阻抗反演,地震数据重构

煤炭的安全高效开采技术是解决煤炭安全生产问题的根本方法。研究和发展安全高效开采技术,可为煤田的安全生产提供重要的保障。煤层厚度的预测技术是煤炭安全高效开采地质保障体系中重要技术之一,提高煤层厚度预测精度的研究也是煤炭地震勘探技术探讨的热点问题。

对煤层厚度预测的主要方法是用地震波振幅预测煤层厚度,但是噪声干扰会影响地震波的振幅,进一步影响预测的精度。笔者着重研究降低噪声对煤层厚度预测精度影响的处理技术。

1 振幅调谐法预测煤层厚度

Widess研究发现,当地层厚度小于地震波长的1/8时,经地层顶底反射形成的复合波近似为地震子波的微分式,并且随着厚度的变小复合波的形态基本保持不变[1]。Rayleigh提出用波峰—波谷时间差来检测薄层厚度的分辨率,确定可检测厚度的极限为地震波长的1/4[2]。程增庆等基于奈德尔提出的“调谐厚度”的概念,根据反射波振幅与煤层厚度呈近似的线性关系,利用反射波振幅参数来预测煤层厚度[3]。如图1所示,当顶界面与底界面之间距离不足时,波形同相叠加会产生调谐现象[4]。

因为调谐现象发生的前提是地层厚度与反射波的波峰—波谷间距相等,而波峰—波谷间距正好为波的半周期,所以调谐现象的时间间距正好等于半周期,可用下式表示:

图1 薄层调谐现象成因示意图

式中:Tt为调谐的时间间隔,ms;T为子波的周期,ms。

发生调谐效应时,地层的实际厚度可表示为:

式中:dt为地层的实际厚度,m;v为地震波在地层中传播的速度,m/s。

由公式(1)和(2)可得:

而

则

式中:λ为地震波的主波长;f为地震波的主频。

式(5)表明,调谐现象发生时地层的实际厚度为λ/4。在厚度等于这个数值时,复合波的振幅达到极大值;在厚度小于这个界限时,复合波的振幅随着厚度的增大而增大。

图2表示已知子波波长,地层阻抗高于围岩模型时的有效振幅随地层厚度变化的函数关系。

图2 地震波振幅随岩层厚度变化的函数关系图

由图2可以看出:

1)当地层厚度在λ/2至λ/4之间变化时,振幅随着层厚增加而增大,并大于真实的反射系数,此现象为地层顶底间相长干涉;

2)当地层厚度为λ/4时干涉效应最大,此时发生薄层调谐;

3)当地层厚度从λ/4减小为0时,地震波的振幅也减小并趋于0,此现象为地层顶底面间的相消干涉。

如图3所示,如果地震波由煤层顶板垂直入射到顶板与煤层的界面1,由于通常地震波在煤层中的传播速度v2比在围岩中的速度v1低,同时,煤层的密度ρ2也低于围岩的密度ρ1,即煤层的波阻抗I2小于围岩的波阻抗I1。由于反射系数γ=(I2-I1)/(I2+I1)<0,根据褶积模型,地震道T=ωγ,当子波ω的极性为正时,产生的独立地震道的极性应该是负的。同理,如果地震波由煤层垂直入射到煤层与底板之间的界面2时,产生的独立地震道的极性应该为正。

图3 煤层模型

结合以上的调谐理论,当煤层的厚度为λ/4时,界面1产生的地震响应与界面2产生的地震响应会产生调谐效应;当煤层的厚度小于λ/4时,煤层的厚度与振幅呈近似线性关系。因此,在这种情况下可以统计钻孔处煤层的厚度与井旁地震数据的振幅值之间的准线性关系,提取研究区域的振幅信息,并利用所得的准线性关系推测研究区内的煤层厚度。

2 利用波阻抗反演重构地震数据降低噪声对煤厚预测的影响

地震记录通常受噪声干扰,噪声的干扰会引起振幅的变化,进而影响利用地震数据振幅预测煤层厚度的精度。为此,首先构建一个单反射界面的理论模型,在此基础上应用正演和统计分析的方法研究噪声对地震数据振幅的影响,进而研究重构对降低噪声影响的效果;其次构建一个煤层的理论模型,在此基础上同样应用正演和统计分析的方法研究噪声对煤层厚度预测精度的影响,进而研究重构对提高预测精度的效果;最后,结合波阻抗反演的相关理论说明利用波阻抗反演重构地震数据对噪声的影响。

2.1 波阻抗反演

Marquardt和Levenberg研究了阻尼最小二乘反演算法,此算法可使计算出的理论结果和实际观测结果之间的误差平方和最小。作为一种重要的反演算法,阻尼最小二乘反演算法被用于线性系统甚至线性化的非线性系统(广义线性系统)[5]。1983年,Cooke发表了地震资料广义线性反演法,并提出了基于模型的反演方法[6]。Mendel和Hampson以及Brian H.Russell等人于20世纪80年代相继发表了文章,提出了基于地震道的稀疏脉冲反演法[7-8]。Mosgaard等提出了地震模型参数优化反演的模拟退火方法[9]。

根据一维褶积模型的假设,由震源激发产生的地震波,在地下遇到反射界面后将反射回地面的接收装置,接收到的信息即为地震反射波,其数学模型(忽略了多次波)可以表示为:

式中:s(t)为地震记录;r(t)为地下反射界面的反射系数;ω(t)为地震子波;n(t)为附加噪声。

波阻抗反演可被视为从地震道s(t)推算反射系数r(t)的过程。首先估算一个地震子波,再用地震子波的逆与地震数据褶积,在没有噪声干扰的假设情况下若估算的子波与真实的子波相似,则可产生对应地层界面的反射系数序列r(t)。

假设入射到地下各反射界面的地震波是垂直入射的,则反射系数为:

式中:ri为第i层界面的反射系数;ρi为第i层的传播密度,g/cm3;vi为第i层的传播速度,m/s;ρi+1为第i+1层的密度,g/cm3;vi+1为第i+1层的传播速度,m/s。

令ρv=I,I即为地层的波阻抗,则:

由式(8)可得:

如果已经有第一个地层的波阻抗,由反演得到的反射系数序列,就可逐层递推计算出下面每一层的波阻抗值,这样就可以把界面型的反射波信息转换成岩层型的波阻抗信息。由此,可进一步预测地下地层的岩性信息、物性信息,以及地层本身的一些特征。

2.2 建立模型预测煤厚

煤层地质模型见图4,煤层上下围岩的厚度均为144 m,密度均为2.6 g/cm3,地震波在围岩中传播的纵波速度均为3 600 m/s。煤层的密度为1.4 g/cm3,地震波在煤层中传播的纵波速度为2 500 m/s。对应4个地质模型的煤层的厚度分别为10.0、7.5、5.0、2.5 m。

图4 煤层地质模型

假设主频为50 Hz的雷克子波垂直入射到煤层地质模型中,由于地震波在煤层中传播的速度为2 500 m/s,则由公式v=λf(v、λ和f分别为波在介质中传播的速度、波长和频率),计算出地震波在煤层中传播时波长约为45 m。煤层厚度为12.5 m或者更薄时,地震波在煤层顶底界面的反射波形成复合波,这时可以用复合波的振幅预测煤层的厚度。

根据褶积模型理论,得到厚度分别为10.0、7.5.5.0、2.5 m,信噪比为1.25的合成地震记录,每个合成地震记录共有200个地震道(图5为煤层厚度为5.0 m、信噪比为1.25的合成地震记录)。

图5 煤层厚度为5 m时的合成地震记录

利用STRATA软件对受噪声影响的合成地震记录进行波阻抗反演,再通过子波褶积反射系数进行地震数据重构,得到重构后的地震数据。图6是信噪比为1.25的地震数据(左)与重构后的地震数据(右)的对比图。可见,相对于信噪比为1.25的原始地震数据,重构后的地震数据波形更平滑和清晰。

图6 重构前后地震数据对比图

煤层厚度与复合波的振幅值理论上存在准线性关系。以煤层厚度值为横坐标、复合波振幅值为纵坐标建立二维坐标图,该图统计厚度分别为10.0、7.5、5.0、2.5 m,并通过各厚度相应的复合波振幅信息,用线性拟合可得到厚度与振幅的准线性关系。用信噪比为1.25重构后的地震数据振幅值和对应的厚度值的准线性关系见图7。

图7 信噪比为1.25重构后的地震数据振幅值和对应煤层厚度值的准线性关系

根据这个准线性关系,可从地震数据上提取振幅信息,由复合波的振幅值推导煤层厚度的预测值。

在得到煤层厚度的预测值后,由式(10)求预测值的绝对误差:

式中d绝———绝对误差;

h模型厚度———模型已知的煤层厚度;

h预测厚度———对模型中煤层厚度的预测结果。

为了便于比较地震数据重构前后煤层厚度预测的精度,以地震道的CDP号为横坐标、预测结果的绝对误差为纵坐标建立二维坐标图,将用重构前的地震数据预测煤层厚度的绝对误差和用重构的地震数据预测煤层厚度的绝对误差绘于一张图上进行对比,如图8所示。

图8 不同煤层厚度原始数据和重构数据预测煤层厚度的绝对误差对比图

将原始地震数据预测煤层厚度的绝对误差和重构后的地震数据预测煤层厚度的绝对误差的均值和方差进行整理,结果见表1。

如果能够准确地预测煤层厚度,则预测的绝对误差为0,将过纵轴的0点并平行于横轴的直线视为基线,那么比较地震数据重构前后煤层厚度预测的精度,一方面可以从样点与基线距离的远近来定性地分析,样点离基线越近,则预测的精度越高;另一方面也可以从绝对误差均值的绝对值大小和绝对误差的方差的大小来定量地分析,均值的绝对值越小,方差越小,说明预测的精度越高。

表1 重构前后地震数据预测煤层厚度的绝对误差对比

对表1分析可知,无论煤层厚度为多少,重构的地震数据预测结果的绝对误差均值的绝对值都比重构前的地震数据预测结果的绝对误差均值的绝对值小,而且前者的方差也更小。由图8可见,对于不同的煤层厚度,除少数样点外重构数据预测的绝对误差样点比重构前的更接近基线。由前面的判断标准可知,这说明从总体上而言重构后的地震数据预测的精度更高。

3 结语

1)由于波阻抗反演为全局最优算法,具有一定的减弱奇异扰动的能力。因此,利用波阻抗反演结果重构的地震数据预测煤层厚度,其误差相对平稳,更符合实际地质情况,能从总体上提高煤层厚度预测的精度。利用反演结果重构地震数据,不仅限于波阻抗反演,还可以尝试其他反演方法重构。该预测经验可为煤层厚度的预测提供参考。

2)实际情况下造成煤层厚度预测不准的因素错综复杂,如煤层岩性和物性的变化会造成振幅的变化,进而导致预测结果不准,有待今后在综合考虑其他影响因素的情况下,进一步研究地震数据的重构技术对提高煤层厚度预测精度的作用机理。

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