一種可應用于地質勘探現場的光電分析系統設計研究

韋 宇

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

傳統地質勘探的工作過程分為優選目標區、確定遠景區、確定礦靶區、系統工程控制、提交地質報告等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容。

1 技術優勢

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

本文提出的研究設計具備以下優勢：提高數據采集到數據分析整理的工作效率；可為現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 系統方案

2.1 系統原理

許多物質在近紅外區域有豐富的吸收光譜，而且每種成分都有其吸收特征，因此可根據物質的近紅外光譜分析物質的成分和含量。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、避免發熱的約束，光是大自然較為安全的粒子。結合地質特殊情況和礦物光譜特性，利用光學導光實現井下巖面光學采集是一種行之有效的方法。

目前工業上導光光纖的線路光衰0.4 dB/km，系統光衰余量按照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任務要求，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（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備，光源設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。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）分別接收對應位置像的光能，并將該光能傳輸至傳像光纜的目鏡一端發出，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了物鏡的聚焦像的后端采集功能。利用鉆機對鉆具的旋轉、升降控制來實現物鏡對井道內壁四周及縱向的光學采集。

采集到井道內壁巖面的光學數據統一由處理系統處理，處理系統可以利用成像顯示技術實時顯示在顯示屏幕上，讓現場工程人員實時觀測，可以利用數據統計和分析技術繪制光譜圖形，可以利用集中大容量存儲技術對原始數據和加工后的數據進行存儲，可以利用數據庫技術對原始數據進行匹配生成分析報告。處理系統的詳情參見圖1處理系統所示。

2.2 系統組成

2.2.1 光學系統

光學系統由物鏡、光纜、目鏡、光源設備、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備，傳像光纜的切面單獨引出同CMOS傳感器相連接。

圖1 系統示意

（4）光源設備。光源設備由鹵鎢燈光源、透鏡聚焦系統、切光器、分光系統組成。

鹵鎢燈的復合光通過透鏡系統聚焦后被切光器調制。調制后的光由分光系統進行分光，形成一系列按波長大小順序排列的各譜段的光譜。其中分光系統采用交叉復折式單光路光柵掃描結構，由入射狹縫、光柵及兩個凹面反射鏡、出射狹縫組成。處理系統的圖像處理單元驅動步進電機轉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、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、像素數據總線接口、控制接口等部分組成。本文提出的系統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

處理系統由圖像處理單元、顯示單元、專家數據庫、存儲服務器組成。

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

圖像處理單元對光源設備控制，控制光源設備的出光的光譜特征。

圖像處理單元可為現場作業人員提供行業定制化的服務，例如日常工作日志、數據統計、報告整理等功能，可以有效地實現工作流程數字化。

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，提供顯示呈現功能。

（3）專家數據庫。硬件載體以刀片式服務器為主，服務器上搭配地質行業的數據庫，為現場數據提供匹配依據。

（4）存儲服務器。為處理系統提供集中存儲的功能，主要以磁盤陣列為主。

3 結語

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

[參考文獻]

[1]王欣.地質勘查信息化建設意義與發展[J].工程技術（文摘版），2015（8）：39.

[2]韓旭.光通信材料紅外光纖及其發展[J].玻璃，2012（7）：30-34.

[3]王智宏，林君，武子玉，等.便攜式礦物近紅外光譜儀器的研制[J].儀器儀表學報，2005（11）：1135-1138.