專利名稱：一種激光超聲波檢測系統(tǒng)及其檢測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于地震物理研究領域，涉及一種激光超聲波檢測裝置，特別是一種在室 內(nèi)條件下用超聲波方法模擬野外地震勘探地震波產(chǎn)生和接收的系統(tǒng)，屬于激光振動檢測領 域。
背景技術(shù)：
地震物理模擬研究是指利用物理模型對地震及有關(guān)現(xiàn)象，特別是波動現(xiàn)象進行研 究，它是實驗地質(zhì)學的一個重要組成部分，又被稱為模型地質(zhì)學。模型地質(zhì)學研究中最普遍 使用的方法是超聲波方法，因此常被稱為超聲地震模擬。超聲地震物理模型實驗通過超聲 波在地質(zhì)模型中的傳播觀測對地震波在各種復雜地質(zhì)體中的傳播進行室內(nèi)模擬觀測，并根 據(jù)觀測結(jié)果進行地震學研究。它解釋和解決了許多地球物理勘探中出現(xiàn)的實際問題，從而 極大地推動了地震學理論的發(fā)展。目前地震物理模型實驗一般采用壓電式超聲波探頭進行超聲波發(fā)射和接收。這種探頭通常由壓電晶片組成，其結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝方便，收發(fā)可互換。圖1是 壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2時由壓電式探頭組成的檢測系統(tǒng)。圖2的左邊采用的 是反射測量法，右邊是透射測量法。發(fā)射頭將電信號，一般為窄脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波信號；而 接收頭則將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。為了使發(fā)射和接收時有較好的耦合效果，通常我們采用水浸法測量，即地質(zhì)模型 放置在水中，探頭緊貼水面安裝。由壓電式發(fā)射和接收探頭及三維坐標儀組成的地質(zhì)模型 自動檢測系統(tǒng)在水浸法測量時可取得較好的效果。水浸法測量也產(chǎn)生新的問題。雖然它可 以模擬海洋地震勘探條件，但與實際陸上野外測量相比水浸法測量多了一層水，降低了實 驗的真實性。其次，由于探頭在水中只能傳播和接收縱波不能傳播和接收橫波，使得水浸法 不能對地質(zhì)模型中的橫波傳播規(guī)律和特點進行研究。現(xiàn)有技術(shù)中，壓電式探頭相對簡單，價格較低，但在進行地質(zhì)模型檢測時，使用壓 電式探頭進行發(fā)射和接收時會產(chǎn)生一些問題。為了真實地模擬野外激發(fā)和檢測，發(fā)射器件 應具有發(fā)射點小、寬帶、非接觸、點發(fā)射、多波發(fā)射(即能同時發(fā)出橫波和縱波等多種波)和 重復性好等特點；檢測器件應具有體積小、寬帶接收、非接觸點測量、靈敏度高、重復性好和 測量范圍寬等特點。但壓電式超聲波探頭在對固體地質(zhì)模型，尤其對復雜表面模型進行檢測時遠遠不 能滿足上面的要求。由于工藝方面的原因器件檢測部分接觸面較大，當對曲表面模型進行 檢測時，探頭和模型表面耦合效果差；由于現(xiàn)有超聲波探頭只能進行窄帶發(fā)射和接收，因此 測量不能反映野外施工寬頻接收的實際情況。另外由于是接觸式測量，采用手動方式則測 量效率低、精度差；當通過機械方式移動時每次都要重復進行拔起和放置這個過程，而每次 放置點探頭和模型間的接觸壓力很難做到一致，因此測量的重復性差，容易損壞探頭。目前 往往一套固體地質(zhì)模型的完整測試需要幾個月時間，遠遠不能滿足科研生產(chǎn)的需要。另外， 一般探頭只能發(fā)出或檢測單方向的振動，不能模擬野外三分量勘探同時進行三個分量信號同時發(fā)射和接收的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，研發(fā)了一種激光超聲波檢測系統(tǒng)及 其檢測方法。本發(fā)明的目的是為了在實驗室內(nèi)真實模擬野外實際數(shù)據(jù)采集過程。通過采用 新的發(fā)射方法、發(fā)射設備、采集方法，采集設備和采集手段，取得高效、快速、準確的采集效 果并得到高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為，一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括激光發(fā)射單元，激光接收單元，模數(shù)/數(shù) 模轉(zhuǎn)換單元和中央處理單元；所述激光發(fā)射單元包括激光發(fā)射源，所述激光發(fā)射單元和激光接收單元與待測地 質(zhì)模型采用非接觸檢測方式；所述激光發(fā)射源向待測地質(zhì)模型發(fā)出激光脈沖，所述激光接 收單元接收待測地質(zhì)模型所發(fā)出的振動脈沖信號；所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將所述激光接收單元收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，后將數(shù) 據(jù)傳輸給所述中央處理單元進行信號處理。當進行單點檢測時，所述激光發(fā)射單元包括強脈沖激光源；所述激光接收單元包 括單點激光多普勒測振儀；所述單點激光多普勒測振儀為單點接收方式，其只對一個方向 的振動進行檢測。當進行多點檢測時，所述激光發(fā)射單元包括強脈沖激光源；所述激光接收單元包 括三維激光多普勒測振儀；所述三維激光多普勒測振儀采用三維接收方式，其對待測地質(zhì) 模型表面三個方向的振動同時進行檢測。為了使發(fā)射端和接收端可自由移動，所述系統(tǒng)還包括一組三維坐標儀；所述每個 三維坐標儀包括空間三個運動方向機械支桿，且每個方向機械支桿上均設置有伺服電機; 所述各伺服電機與電機控制器連接，所述電機控制器控制各伺服電機動作；所述激光發(fā)射單元固定在一個所述的三維坐標儀上，所述激光接收單元安裝在另 一個所述的三維坐標儀上；即激光發(fā)射單元和激光接收單元均可在X，1，Z軸方向上運動；所述系統(tǒng)還包括一個六軸定位儀控制器，所述六軸定位儀控制器一端與所述中央 處理單元連接，另一端與所述電機控制器連接，向所述電機控制器發(fā)出運動指令。為了達到好的發(fā)明效果，所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用M位20M模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述激光發(fā)射單元發(fā)射的聚焦點為值約為20微米到3毫米，所述系統(tǒng)接收檢測到的振動信號速度值大于等于0. 02微米/秒；所述系統(tǒng)接收檢測到的振動信號位移值大于等于0. Ipm ；所述伺服電機的步進脈沖間隔彡0. 3ms0基于上述檢測系統(tǒng)所采用的檢測方法，對單點進行檢測時，本發(fā)明根據(jù)所述六軸定位儀控制器產(chǎn)生的定長同步信號作為脈沖激光源的外觸 發(fā)信號；首先中央處理單元將檢測點的起始坐標、終點坐標、步長通過通信口送給六軸定 位儀控制器；六軸定位儀控制器通過電機控制器啟動飼服電機運行，當伺服電機運行到預定檢測點時，六軸定位儀控制器向脈沖激光源發(fā)出定長同步信號；所述脈沖激光源接收到 此信號后，向待測地質(zhì)模型表面發(fā)出脈沖激光，即發(fā)出超聲波信號，同時送出觸發(fā)信號啟動 所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述激光接收單元接收并發(fā)送信號，以便完成該坐標點的采集工 作。當為多點連續(xù)采樣時，采用的步驟如下，i.確定發(fā)射點、起始接收點、接收點間隔、接收點點數(shù)；ii.確定接收點運動速度V伺服電機的步進脈沖間隔彡0. 3ms ；接收點間隔彡Ims ；iii.設置數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)設置采樣率為20兆，每次采樣6000點-8000點；iv.設置六軸定位儀控制器參數(shù)，使控制器在接收單元或發(fā)射單元每走過接收點 間隔長度時發(fā)一次脈沖；v.同步電路啟動脈沖激光源和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器，捕獲采樣點數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換信 息，處理數(shù)據(jù)；vi.等待下一個采樣點啟動信號；vii.重復步驟V，直至所有采樣點數(shù)據(jù)采集完成。本發(fā)明在采用了上述的檢測系統(tǒng)和檢測方法后，達到的發(fā)明效果為，①系統(tǒng)能模擬野外多波多分量勘探信號的完整采集過程；②系統(tǒng)發(fā)射點和接收點極小，聚焦點只有幾十微米，檢測符合模型和接觸點按野 外檢波器比例縮小的原則，使模擬效果更加逼真；③系統(tǒng)接收的結(jié)果為高精度數(shù)據(jù)，可檢測到的最小振動信號速度值為0. 02微米/ 秒。采集到的數(shù)據(jù)具有較寬的動態(tài)范圍，可以超過IOOdB ；④系統(tǒng)對不同大小和不同類型的地震模型，可以通過調(diào)整發(fā)射能量和接收動態(tài)范 圍以取得最佳的采集效果；⑤由于采用非接觸式測量方法，在對固體曲面地震模型進行檢測時，能實現(xiàn)自動 檢測和有很好的耦合效果，解決了接觸測量時檢測和發(fā)射器件對模型的影響；⑥與原來壓電探頭接觸式測量相比采集速度提高了十倍以上，極大地提高了采集 生產(chǎn)的效率。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中壓電接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中壓電式探頭組成的檢測系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接示意圖；圖4為本發(fā)明自動采集時序簡圖。上述各幅附圖將結(jié)合發(fā)明背景描述和具體實施方式
加以說明
具體實施例方式激光超聲波地震模型檢測系統(tǒng)由激光檢測部分、超聲波發(fā)射部分、三維坐標儀平 臺和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，可以進行非接觸高速固體地質(zhì)模型超聲波檢測。其實施如下
系統(tǒng)包括強脈沖激光源、激光多普勒測振儀、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計算機和三維坐標 儀組成的激光超聲波地震模型檢測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)；該系統(tǒng)的發(fā)射部分采用強脈沖激光源。當對模型進行測試時，強脈沖激光源向模 型某點(又稱為炮點)發(fā)射激光脈沖，該點受熱會發(fā)生熱膨脹或熔化，由此產(chǎn)生超聲波并向 模型內(nèi)部傳送。用這種方法可以同時產(chǎn)生多種波，如縱波、橫波等。由于強脈沖激光源是非 接觸發(fā)射源，在移動位置時，發(fā)射頭沒有提放過程，其生產(chǎn)效率較高；并且激光源在模型上 的光點可通過聚焦小到幾十微米，符合野外震源按比例縮小的要求。系統(tǒng)的接收部分主要由激光多普勒測振儀組成。有兩種激光接收方式單點接收 方式和三維接收方式。單點接收方式采用單點激光測振儀，其特點是測量精度高、頻帶寬， 但只能對一個方向的振動進行檢測。三維接收方式則采用三維激光測振儀，其特點是可對 模型表面三個方向的振動同時進行檢測。同樣由于光多普勒測振儀是非接觸發(fā)射源，沒有 提放過程，其生產(chǎn)效率較高；并且激光源在模型上的檢測點可通過聚焦小到幾十微米，符合 野外震源按比例縮小的要求。激光測振儀將振動速度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用M位20M模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將激光多普勒測振儀輸出的電壓信 號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給計算機處理。三維坐標儀平臺由兩套三維坐標儀組成，就是說共有六個伺服電機分別控制XI、 X2、Yl、Y2、Zl、Z2方向上的運行，電機控制器控制電機的運行，而六軸定位儀控制器則一方 面可以接收計算機的命令并在譯碼后送給電機控制器，另一方面可以可根據(jù)需要將位置信 號送給計算機。強脈沖激光源和激光多普勒測振儀的激光探頭分別通過機械夾具安裝在三 維坐標儀上。每套三維坐標儀都可以根據(jù)控制計算機發(fā)來的命令使激光頭在X、Y、Z方向上 自由移動，這樣可以很方便將激光頭移到預定的檢測點和炮點。同時坐標儀的控制裝置可 根據(jù)實驗要求在到達檢測點后發(fā)出同步信號啟動強脈沖激光源發(fā)射過程和激光多普勒測 振儀、A/D轉(zhuǎn)換器的采集過程。實施中，本發(fā)明激光超聲波地震模型檢測系統(tǒng)的采集方法流程為自動流程。使用 由定位儀產(chǎn)生的定長同步信號作為強脈沖激光源的外觸發(fā)信號。首先計算機將檢測點的起 始坐標、終點坐標、步長通過通信口送給定位儀控制器。定位儀控制器啟動飼服電機運行， 當伺服電機運行到預定檢測點這一步時，定位儀控制器向強脈沖激光源發(fā)出定長同步信 號。強脈沖激光源接收到此信號后，發(fā)出脈沖激光以在地質(zhì)模型表面發(fā)出超聲波信號，同時 送出觸發(fā)信號啟動A/D轉(zhuǎn)換器。由于采用的20兆高速A/D轉(zhuǎn)換器能在OJms內(nèi)完成6000 個點的采集，而在此0. 3ms內(nèi)飼服電機在微觀上處于靜止狀態(tài)(即下一步尚未開始)，因此 可以保證在非運動情況下完成該坐標點的采集工作。若連續(xù)采樣基本步驟如下1、確定發(fā)射點、起始接收點、接收點間隔、接收點點數(shù)；2、確定接收點運動速度V 伺服電機的步進脈沖間隔彡0. 3ms (20兆6000個采樣點時間)接收點間隔彡Ims (數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲及簡單處理時間)3、設置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)(一般設置采樣率為20兆，一般每次采樣6000點-8000點)；4、設置控制器參數(shù)，使控制器在接收單元或發(fā)射單元每走過接收點間隔長度時發(fā) 一次脈沖；
5、同步電路啟動強脈沖激光源和A/D轉(zhuǎn)換器，捕獲采樣點A/D轉(zhuǎn)換信息，處理(顯 示和存儲)數(shù)據(jù)；6、等待下一個采樣點A/D啟動信號；7、重復5直至所有采樣點數(shù)據(jù)采集完成。綜上所述，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù) 構(gòu)思做出其他各種相應的改變和變形，而所有這些改變和變形都應屬于本發(fā)明所述的權(quán)利 要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括激光發(fā)射單元，激光接收單元，模數(shù)/數(shù)模 轉(zhuǎn)換單元和中央處理單元；其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括激光發(fā)射源，所述激光發(fā)射單元和激光接收單元與待測地質(zhì)模 型采用非接觸檢測方式；所述激光發(fā)射源向待測地質(zhì)模型發(fā)出激光脈沖，所述激光接收單 元接收待測地質(zhì)模型所發(fā)出的振動脈沖信號；所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將所述激光接收單元收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，后將數(shù)據(jù)傳 輸給所述中央處理單元進行信號處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括強脈沖激光源；所述激光接收單元包括單點激光多普勒測振 儀；所述單點激光多普勒測振儀為單點接收方式，其只對一個方向的振動進行檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括強脈沖激光源；所述激光接收單元包括三維激光多普勒測振 儀；所述三維激光多普勒測振儀采用三維接收方式，其對待測地質(zhì)模型表面三個方向的振 動同時進行檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括一組三維坐標儀；所述每個三維坐標儀包括空間三個運動方向機械支 桿，且每個方向機械支桿上均設置有伺服電機；所述各伺服電機與電機控制器連接，所述電 機控制器控制各伺服電機動作；所述激光發(fā)射單元固定在一個所述的三維坐標儀上，所述激光接收單元安裝在另一個 所述的三維坐標儀上；即激光發(fā)射單元和激光接收單元均可在X，1，ζ軸方向上運動；所述系統(tǒng)還包括一個六軸定位儀控制器，所述六軸定位儀控制器一端與所述中央處理 單元連接，另一端與所述電機控制器連接，向所述電機控制器發(fā)出運動指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種激光超聲波檢測系統(tǒng)，其特征在于， 所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用M位20M模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述激光發(fā)射單元發(fā)射的聚焦點范圍值約為20微米到3毫米， 所述系統(tǒng)接收檢測到的振動信號速度值大于等于0. 02微米/秒； 所述系統(tǒng)接收檢測到的振動信號位移值大于等于0. Ipm ； 所述伺服電機的步進脈沖間隔< 0. 3ms0
6.基于權(quán)利要求1-5之一的檢測系統(tǒng)所采用的檢測方法，其特征在于，本發(fā)明根據(jù)所述六軸定位儀控制器產(chǎn)生的定長同步信號作為脈沖激光源的外觸發(fā)信號；首先中央處理單元將檢測點的起始坐標、終點坐標、步長通過通信口送給六軸定位儀 控制器；六軸定位儀控制器通過電機控制器啟動飼服電機運行，當伺服電機運行到預定檢 測點時，六軸定位儀控制器向脈沖激光源發(fā)出定長同步信號；所述脈沖激光源接收到此信 號后，向待測地質(zhì)模型表面發(fā)出脈沖激光，即發(fā)出超聲波信號，同時送出觸發(fā)信號啟動所述 模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述激光接收單元接收并發(fā)送信號，以便完成該坐標點的采集工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光檢測方法，其特征在于， 當為多點連續(xù)采樣時，采用的步驟如下，i.確定發(fā)射點、起始接收點、接收點間隔、接收點點數(shù)； .確定接收點運動速度V 伺服電機的步進脈沖間隔彡0. 3ms ； 接收點間隔彡Ims ；iii.設置數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)設置最高采樣率為20兆，每次采樣6000點；iv.設置六軸定位儀控制器參數(shù)，使控制器在接收單元或發(fā)射單元每走過接收點間隔 長度時發(fā)一次脈沖；v.同步電路啟動脈沖激光源和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器，捕獲采樣點數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換信息，處 理數(shù)據(jù)；vi.等待下一個采樣點啟動信號；vii.重復步驟V，直至所有采樣點數(shù)據(jù)采集完成。
全文摘要
本發(fā)明一種激光超聲波檢測系統(tǒng)及其方法，是一種在室內(nèi)條件下用超聲波方法模擬野外地震勘探地震波產(chǎn)生和接收的系統(tǒng)。本發(fā)明通過一套強脈沖激光源、單點激光多普勒測震儀和三維激光多普勒測震儀、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、三維坐標儀等組成一套完整的激光超聲波自動采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了許多常規(guī)地質(zhì)模型模擬方法存在的問題，能進行單點和三分量非接觸式超聲波檢測，滿足了現(xiàn)代地球物理勘探精細和多分量模擬的需要。
文檔編號G01V1/18GK102053254SQ200910236779
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者傅星菊, 宗遐齡, 張國保, 李守才, 王輝明, 薛詩桂, 趙群, 邵志東, 馬國慶, 黃德娟 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院