一種可應(yīng)用于地質(zhì)勘探現(xiàn)場的光電分析系統(tǒng)設(shè)計研究

韋 宇

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

傳統(tǒng)地質(zhì)勘探的工作過程分為優(yōu)選目標區(qū)、確定遠景區(qū)、確定礦靶區(qū)、系統(tǒng)工程控制、提交地質(zhì)報告等5個階段，工作流是串行且相互獨立的，其中從野外原始信息采集到室內(nèi)資料整理和分析的過程漫長，造成人力物力的成本過高，如何利用科技手段縮短這一過程，是本文研究的主要內(nèi)容。

1 技術(shù)優(yōu)勢

上文提及的地質(zhì)勘探5個階段，尤其是前3個階段都需要進行多輪的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析整理的過程，在不改變傳統(tǒng)工作流的前提下，節(jié)省人力物力成本最佳的方法就是提高效率。本文根據(jù)地質(zhì)勘探行業(yè)的現(xiàn)狀分析，提出利用一種行之有效的地質(zhì)數(shù)據(jù)鑒定方法把大部分的數(shù)據(jù)分析工作在勘探現(xiàn)場完成，少部分不具備條件的數(shù)據(jù)分析可以移送樣品到院所實驗室分析處理，這樣就能節(jié)省數(shù)據(jù)分析的時間，現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析也能指導現(xiàn)場作業(yè)，從而提高了數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析整理的效率。

本文提出的研究設(shè)計具備以下優(yōu)勢：提高數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析整理的工作效率；可為現(xiàn)場的工程師提供主觀視角實時了解井道的情況；利用后臺的專家系統(tǒng)實時分析井道各個地層的礦物成分信息；所有下井的部件都是無源的部件，安全性高。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)原理

許多物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜，而且每種成分都有其吸收特征，因此可根據(jù)物質(zhì)的近紅外光譜分析物質(zhì)的成分和含量。例如，層狀硅酸巖礦物吸收1 100～2 500 nm波長范圍的近紅外光等。利用礦物的光譜特性，可以用指定光譜特征的光源照射礦物，采集礦物反射的光并進行成像和光譜分析。

地質(zhì)勘探分油氣礦和非油氣礦，井下的部件有不能帶電、打火花、避免發(fā)熱的約束，光是大自然較為安全的粒子。結(jié)合地質(zhì)特殊情況和礦物光譜特性，利用光學導光實現(xiàn)井下巖面光學采集是一種行之有效的方法。

目前工業(yè)上導光光纖的線路光衰0.4 dB/km，系統(tǒng)光衰余量按照4 dB為計，光路來回路徑理論可達10 km，可支持勘探深度達5 km，滿足大部分勘探作業(yè)任務(wù)要求，井下采用無源的導光部件，光電采集部分部署在井上。

光學系統(tǒng)由物鏡、光纜、目鏡、光源、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）傳感器組成，具體情況可參考光學系統(tǒng)（見圖1），其中下井部件為光纜和物鏡，當鉆機打到指定深度，起鉆后在鉆具上部署物鏡，物鏡鏡頭中心軸垂直于井道壁，物鏡跟著鉆具重新進入井道，物鏡連接照明光纜和傳像光纜，照明光纜由多束光纖面陣排列，照明光纜對端連接光源設(shè)備，光源設(shè)備提供指定光譜光源通過光纖從物鏡射出照射在井道壁的巖面上；傳像光纜由多束光纖面陣排列組成，每一根光纖作為面陣上一個像素在傳像光纜兩端的位置一一對應(yīng)。物鏡將井道壁巖面反射的光直接聚焦并成像于光纖面陣上，光纖面陣上的每一像素（每一根光纖）分別接收對應(yīng)位置像的光能，并將該光能傳輸至傳像光纜的目鏡一端發(fā)出，傳像光纜目鏡端連接大靶面CMOS傳感器，采集光纖面陣上的所有像素即實現(xiàn)了物鏡的聚焦像的后端采集功能。利用鉆機對鉆具的旋轉(zhuǎn)、升降控制來實現(xiàn)物鏡對井道內(nèi)壁四周及縱向的光學采集。

采集到井道內(nèi)壁巖面的光學數(shù)據(jù)統(tǒng)一由處理系統(tǒng)處理，處理系統(tǒng)可以利用成像顯示技術(shù)實時顯示在顯示屏幕上，讓現(xiàn)場工程人員實時觀測，可以利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析技術(shù)繪制光譜圖形，可以利用集中大容量存儲技術(shù)對原始數(shù)據(jù)和加工后的數(shù)據(jù)進行存儲，可以利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對原始數(shù)據(jù)進行匹配生成分析報告。處理系統(tǒng)的詳情參見圖1處理系統(tǒng)所示。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)由物鏡、光纜、目鏡、光源設(shè)備、CMOS傳感器組成。

（1）物鏡。物鏡固定在鉆具下到井道，把照明光纜的光照射到井道內(nèi)壁的巖面上，并吸收巖面反射的光。物鏡是由樹脂外殼包裹照明光纜和傳像光纜，并在光纜的切面貼敷透光的透鏡組成。

（2）光纜。光纜主要起到光線傳導功能，本文的光纜由2條照明光纜、1條傳像光纜、填充物、絕緣外皮組成，照明光纜和傳像光纜都是由多束光纖面陣排列組合并且纜身有保護膠皮覆蓋，光纖采用石英芯光纖。

（3）目鏡。目鏡部署在井上，目鏡是由樹脂外殼包裹照明光纜和傳像光纜，與物鏡不同的是，照明光纜的切面單獨從目鏡頂部引出接口給光源設(shè)備，傳像光纜的切面單獨引出同CMOS傳感器相連接。

圖1 系統(tǒng)示意

（4）光源設(shè)備。光源設(shè)備由鹵鎢燈光源、透鏡聚焦系統(tǒng)、切光器、分光系統(tǒng)組成。

鹵鎢燈的復合光通過透鏡系統(tǒng)聚焦后被切光器調(diào)制。調(diào)制后的光由分光系統(tǒng)進行分光，形成一系列按波長大小順序排列的各譜段的光譜。其中分光系統(tǒng)采用交叉復折式單光路光柵掃描結(jié)構(gòu)，由入射狹縫、光柵及兩個凹面反射鏡、出射狹縫組成。處理系統(tǒng)的圖像處理單元驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動改變光柵的入射角度，使所需波段的單色光依次從出射狹縫射出，進而起到了控制光源波段的作用。

（5）CMOS傳感器。CMOS傳感器是一種固體成像傳感器，由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、像素數(shù)據(jù)總線接口、控制接口等部分組成。本文提出的系統(tǒng)采用光靈敏度覆蓋近紅外波長范圍、500萬像素、12 bit色深、60幀的CMOS圖像傳感器。

2.2.2 處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)由圖像處理單元、顯示單元、專家數(shù)據(jù)庫、存儲服務(wù)器組成。

（1）圖像處理單元。圖像處理單元對CMOS傳感器采集的像素數(shù)據(jù)進行圖像處理和光譜分析，其中圖像處理包含亮度調(diào)節(jié)、銳利度調(diào)節(jié)、飽和度調(diào)節(jié)等功能。

圖像處理單元對光源設(shè)備控制，控制光源設(shè)備的出光的光譜特征。

圖像處理單元可為現(xiàn)場作業(yè)人員提供行業(yè)定制化的服務(wù)，例如日常工作日志、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報告整理等功能，可以有效地實現(xiàn)工作流程數(shù)字化。

圖像處理單元硬件由工控機加裝視頻采集卡組成。

（2）顯示單元。顯示單元由液晶顯示器組成，提供顯示呈現(xiàn)功能。

（3）專家數(shù)據(jù)庫。硬件載體以刀片式服務(wù)器為主，服務(wù)器上搭配地質(zhì)行業(yè)的數(shù)據(jù)庫，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)提供匹配依據(jù)。

（4）存儲服務(wù)器。為處理系統(tǒng)提供集中存儲的功能，主要以磁盤陣列為主。

3 結(jié)語

隨著信息化時代的來臨，各行各業(yè)的工作方式都發(fā)生了巨大的變化，地質(zhì)勘探行業(yè)也不例外，地質(zhì)勘探行業(yè)的信息化建設(shè)提出的“地質(zhì)勘探項目決策實時化、地質(zhì)勘探處理智能化、地質(zhì)勘探流程數(shù)字化”3個發(fā)展思路很好地切合了自身傳統(tǒng)行業(yè)的特點與信息化趨勢有機結(jié)合。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計正是切合這3個發(fā)展思路，把數(shù)據(jù)分析整理移到作業(yè)前線，讓決策前移實時化；把專家數(shù)據(jù)庫前移到作業(yè)前線，讓處理智能化；把作業(yè)前線提供行業(yè)定制平臺，讓工作流程數(shù)字化，極大地提高了效率和質(zhì)量。

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