[发明专利]一种基于多光谱技术的煤矸石快速检测的方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于多光谱技术的煤矸石快速检测的方法与装置。本发明将多光谱成像技术用于煤矸石检测，构建一个煤和矸石多光谱图像采集系统，获取煤矸石多光谱图像，利用图像融合技术处理多光谱图像，将图像融合后的煤和矸石的多光谱图像用于煤矸石检测。改进YOLO‑V3并设计一个煤矸石快速检测模型，把融合后的多光谱图像标注并用于检测模型的训练。最后将训练好检测模型用于煤矸石检测。本发明基于多光谱成像技术检测煤矸石，相比于可见光图像，多光谱能获得煤和矸石更丰富的特征，具有更高的准确率。此外，设计的改进检测模型有更快的检测速度，可以实现煤矸石在线检测。

技术领域

本发明属于煤矸石多光谱图像检测领域，具体是一种基于多光谱技术的煤矸石快速检测的方法与装置。

背景技术

从第一次工业革命起，煤炭在人类能源中一直扮演重要角色。根据《BP世界能源统计年鉴》，2018年全球煤炭消费量增长1.4％，产量增长4.3％，它们增速均创五年新高；此外，煤炭的消耗在一次能源中的占比仍高达27.2％。这意味着，在现有的能源模式下，人将长期从事煤炭开采工作。在煤的开采过程中，会不可避免的参入热值低或不可燃烧的石头。它不仅降低煤的燃烧效率，而且会增加对空气的污染(矸石含有正金属)。因此将矸石从煤中分离是煤炭开采的重要一部分。煤和矸石的自动化分离的前提是准确的实现煤矸石的检测。目前，尽管已有部分关于煤矸石检测的报道，但其都是基于可见光成像，易受环境光纤和灰尘影响，检测精度有待提升。例如专利201910715211.6基于视频图像检测煤矸石，尽管其实现了矸石的检测，但是基于视频的检测，其只利用可见光的部分波段，检测精度有待提升。

多光谱成像技术就是把入射的全波段或宽波段的光信号分成若干个窄波段的光束，然后把它们分别成像在相应的探测器上，从而获得不同光谱波段的图像。相比于只有RGB三个波段的可见光图像，多光谱可以获得更丰富的煤和矸石特征。此外，多光谱的波段宽，受可见光的影响相对小很多。因此发明一种基于多光谱技术的煤矸石快速检测方法和装置。

发明内容

本发明提供了一种基于多光谱技术的煤矸石快速识别和检测的方法与装置，旨在实现煤矸石的快速高效、准确的识别和检测。

为实现上述目的，本发明提出种基于多光谱技术的煤矸石快速识别和检测的方法与装置，设计一个煤和矸石多光谱数据采集系统，采集煤和矸石的多光谱图像，然后利用图像融合技术将多个光谱图像融合成一个光谱图像，最后利用构建一个基于卷积神经网络煤矸石检测模型，检测每张经融合后的光谱图像中煤矸石的位置。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1、设计一个煤和矸石多光谱数据采集系统，煤和矸石的多光谱数据采集系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括多光谱成像仪、滤光片、镜头、高能光源、电脑以及设备之间的连接设备，软件系统为上位机及光谱成像仪配置软件；

S2、利用搭建的多光谱成像技术获取煤和矸石的原始多光谱数据，对每个波段的多光谱数据归一化处理；构建一个数据融合模型，将选出的最能表达煤和矸石差异的3光谱图像作为基图像，并将剩余图像与基图像融合；

S3、基于卷积神经网络理论，构建一个轻量、高效的煤和矸石的光谱图像检测模型；标注每张融合后的光谱图像，并作为检测模型的目标输出，将融合后的多光谱图像作为检测模型的输入，训练检测模型；最后将训练好的煤矸石检测模型用于煤矸石检测。

进一步地，所述步骤S1中的各设备的连接与工作方式如下：

本发明基于多光谱成像技术，其成像波段宽，必须配备波段较宽的光源设备，高能光源的作用是为系统提供光源；煤或矸石反射的波段较宽光由滤光片过滤后，经镜头在多光谱成像仪的成像传感器上成像；多光谱成像仪中的煤和矸石的光谱数据由USB数据线传到传送到电脑，以便下一步的处理和检测。

进一步地，所述步骤S2归一化的计算和光谱图像的融合方法如下：