CN107358856B - 一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法，该方法包括以下步骤：用喷粉器向地震模型表面的激发点喷微量粉末；激光器向地震模型表面的激发点发射激光，光束被粉末迅速吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波；激光测振仪接收反射的冲击波本。该方法通过对激光向被测曲表面物体输出能量方式的控制，可对曲表面模型超声反射信号进行高密度、宽频带和三分量的采集，可在实验室内真实模拟野外地震信号的产生过程和采集过程。

Description

一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光超声的地球物理模型超声实验方法，属于振动检测领域。

背景技术

超声地震物理模型实验是通过超声波在地质模型中的传播，对地震波在各种复杂地质体中的传播进行室内模拟观测，并根据观测结果进行地震学研究。目前常用的超声波检测方法一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收。当对固体材料进行测量时，发射探头和接收探头紧贴被测物体表面。发射头将电信号(一般为窄脉冲)转换为超声波信号，而接收头则将超声波信号转换为电信号。由于原理方面的原因，探头发射部分接触面较大且不能同时对同一点发射横波和纵波。在对曲面固体地质模型进行检测时，探头和模型表面耦合效果差，有时甚至无法耦合。另外，超声波探头只能进行窄带发射或接收，因此测量不能反映野外施工宽频发射和接收的实际情况。

激光超声和检测方法基本解决了上面的问题。所谓激光超声和检测方法就是采用激光入射到模型表面产生各种超声波(主要有纵波、横波和表面波)，并用激光测振仪检测此超声波产生的振动。它是一种非接触、高精度、宽带、多波、无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测模型中激发超声波，并用激光测振仪探测超声波的传播，从而获取地震模型的特性信息，如模型的结构、模型内部各层速度、及孔缝分布、或流体填充情况等。由于激光发射的聚焦点很小对于曲面测量不存在耦合问题。

但是利用激光超声进行超声地震物理模型实验时还存在着下面一些问题。

首先，激光超声通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波。前者不损坏模型表面但发射功率低；后者发射功率大但会破坏模型表面；在进行大模型激光超声实验时，由于需要的发射功率较大问题表现的更加明显。

其次，为了保护模型表面，有些实验采用了表面喷涂防护层的方法使得烧蚀作用不会作用在模型表面。但是由于超声地震物理模型实验往往需要在一个发射点上进行多次发射，当防护层被击穿后，模型仍会被破坏。另外，由于检测反射波时，检测与发射处于同一表面，加上防护层被后，相当于模型加了一层。波检测环境发生变化，影响了信号检测的真实效果。

如何在不破坏模型表面的情况下保证激光超声能进行多次大功率发射是进行地震模拟实验需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法。该方法能保证在激光超声大功率、多次发射的情况下不损坏模型表面，且能进行高密度、多波超声地震物理模型实验测量。

本发明通过对激光超声发射和检测的特殊处理构建一种新的地震模拟实验方法。该方法通过对激光向被测曲表面物体输出能量方式的控制，可对曲表面模型超声反射信号进行高密度、宽频带和三分量的采集，可在实验室内真实模拟野外地震信号的产生过程和采集过程。通过该种地震实验以及后期地震数据处理，可获取曲面地震模型的特性信息，如模型的结构、模型内部各层速度、孔缝分布、流体填充情况等。这些数据可用于指导野外三分量地震勘探及其他地球物理方法研究。

根据本发明的一个方面，提供一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法，该方法包括以下步骤：

用喷粉器向地震模型表面的激发点喷微量粉末；

激光器向地震模型表面的激发点发射激光，光束被粉末迅速吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波；

激光测振仪接收反射的冲击波。

进一步地，通过向地震模型表面的激发点多次发射激光，移动激光测振仪在地震模型表面多个接收点上接收，合成一发多收的效果。

进一步地，在地震模型表面上布置n个检测点p1-pn，将激光器和喷粉器移至pi点，将激光测振仪移至pj点，其中1≦i,j≦n；

用喷粉器向pi点微量喷粉；

激光器向pi点发射激光；

激光测振仪在pj点接收超声波。

进一步地，将激光测振仪移至pj+1点，其中j+1不大于n，

用喷粉器向pi点微量喷粉；

激光器向pi点发射激光；

激光测振仪在p j+1点接收超声波。

进一步地，激光器和喷粉器安装在第一三轴定位装置上，通过第一三轴定位装置移动至pi点。

进一步地，激光测振仪安装在第二三轴定位装置上，通过第二三轴定位装置移动至pj点。

进一步地，激光器为窄脉冲大功率激光器。

进一步地，地震模型为非金属材料构成。

进一步地，地震模型表面为曲面的或平面的。

进一步地，激光测振仪为一维振动检测设备或三维振动检测设备。

与现有技术相比，本发明克服了普通激光超声发射能量不够或过强、不能在不破坏模型表面的要求下对固定点进行多次激发等缺点。用在超声地震物理模拟实验上，能得到宽带、多波及高密度和高精度的检测结果。

具体而言，采用本发明能够模拟起伏地表地震勘探施工的过程；采用本发明可进行高密度快速采集，能采集到足够的高精度数据，通过后期处理可以得到清晰的地层构造图像；能发射和接收宽频多波信号，可用于储层岩性及含油气性等方面的研究。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示了根据本发明的起伏地表物理模型的激光超声实验方法的基本原理图。

图2显示了根据本发明实施例的激光超声实验方法的实验图。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明通过将激光超声技术、三轴定位技术及激光测振技术相结合，实现了一种基于激光超声的起伏地表地震模型实验方法。通过采用微型喷粉器、窄脉冲大功率激光器、激光测振仪和三轴定位系统等多种手段组合形成了一套完整的一种基于激光超声的快速、高精度、多波检测及无损地震模型实验方法，可应用于起伏地表模型和平面地表模型的地震模型物理实验。

本发明提供一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法，该方法包括以下步骤：用喷粉器向地震模型表面的激发点喷微量粉末；激光器向地震模型表面的激发点发射激光，光束被粉末迅速吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波；激光测振仪接收反射的冲击波。

进一步地，通过向地震模型表面的激发点多次发射激光，移动激光测振仪在地震模型表面多个接收点上接收，合成一发多收的效果。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

本发明的基本原理如图1所示。图中1中包括激光器1、喷粉器2、激光测振仪3、地震模型表面4，激光器1用于向地震模型表面4的激发点发射激光，喷粉器2用于向地震模型表面4喷微量粉末，激光测振仪3用于接收冲击波。

可选地，激光器1一般采用高能量窄脉冲激光器。地震模型一般为非金属材料构成，地震模型表面4可以是曲面的，也可以是平面的。激光测振仪3可以是一维振动检测设备，也可以三维振动检测设备。

地震模型的基本实验过程如下：首先用喷粉器2向地震模型表面4的激发点喷微量粉末。在本实施例中，可以利用白水泥粉末或者细砂，或者类似的材料。粉末的粒度范围可以根据需要选取，当粉末的颗粒度越小，粉末越细时，所需的激光能量越小，随之粉末气化产生的冲击波的穿透效果也越差。当粉末的颗粒较大时，所需的激光能量也大，随之粉末气化产生的冲击波的穿透效果也越好。

然后激光器1向地震模型表面4的激发点发射激光，高能量激光器发射的光束被粉末迅速吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波，该冲击波传入地震模型内部，通过反射回到地震模型表面4，可被激光测振仪3接收。由于光脉冲宽度足够窄，可以避免地震模型表面4遭到破坏的热积累。由于每次发射激光前都向发射点喷微量粉末，因此该点可多次发射而不破坏地震模型表面4。

进行野外地震勘探时，一般采用一发多收方式，即一炮爆炸时多个传感器同时接收。但在实验室内进行激光超声地震模拟实验时由于经济原因和空间较狭小等原因一般只有一台接收设备，因此，为了达到一发多收的效果，通常采用一发一收的方法，即在某一模拟炮点多次触发，移动接收设备在各模拟接收点上接收，最后合成一发多收的效果。然后移动发射装置到下一个模拟炮点然后重复上面的采集过程。

参照图2，描述实际的实验流程，激光器1和喷粉器2安装在第一三轴定位装置5上，通过第一三轴定位装置5移动，激光测振仪3安装在第二三轴定位装置6上，通过第二三轴定位装置6移动。

①在地震模型表面4上布置n个检测点p1-pn，按从左到右，从上到下排序；设1≦i,j≦n；

②将激光器1和喷粉器2移至pi点；

③将激光测振仪3移至pj点；

④喷粉器2向pi点微量喷粉；

⑤激光器1向pi点发射激光；

⑥激光测振仪3在pj点接收超声波(包括反射波、面波等)；

⑦j＝j+1，如果不大于n则转到③；

⑧i＝i+1，如果不大于n则转到②；

⑨实验结束。

本发明克服了普通激光超声发射能量不够或过强、不能在不破坏模型表面的要求下对固定点进行多次激发等缺点。用在超声地震物理模拟实验上，能得到宽带、多波及高密度和高精度的检测结果。

具体而言，采用本发明能够模拟起伏地表地震勘探施工的过程；采用本发明可进行高密度快速采集，能采集到足够的高精度数据，通过后期处理可以得到清晰的地层构造图像；能发射和接收宽频多波信号，可用于储层岩性及含油气性等方面的研究。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起伏地表物理模型的激光超声实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

用喷粉器向地震模型表面的激发点喷微量粉末；

激光器向地震模型表面的激发点发射激光，光束被粉末迅速吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生超声波；

激光测振仪接收反射的超声波。

2.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，通过向地震模型表面的激发点多次发射激光，移动激光测振仪在地震模型表面多个接收点上接收，合成一发多收的效果。

3.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，在地震模型表面上布置n个检测点p1-pn，将激光器和喷粉器移至pi点，将激光测振仪移至pj点，其中1≦i,j≦n；

用喷粉器向pi点微量喷粉；

激光器向pi点发射激光；

激光测振仪在pj点接收超声波。

4.根据权利要求3所述的激光超声实验方法，其特征在于，将激光测振仪移至pj+1点，其中j+1不大于n，

用喷粉器向pi点微量喷粉；

激光器向pi点发射激光；

激光测振仪在p j+1点接收超声波。

5.根据权利要求3所述的激光超声实验方法，其特征在于，激光器和喷粉器安装在第一三轴定位装置上，通过第一三轴定位装置移动至pi点。

6.根据权利要求3所述的激光超声实验方法，其特征在于，激光测振仪安装在第二三轴定位装置上，通过第二三轴定位装置移动至pj点。

7.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，激光器为窄脉冲大功率激光器。

8.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，地震模型为非金属材料构成。

9.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，地震模型表面为曲面的或平面的。

10.根据权利要求1所述的激光超声实验方法，其特征在于，激光测振仪为一维振动检测设备或三维振动检测设备。