一种可应用于地质勘探现场的光电分析系统设计研究

韦 宇

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

传统地质勘探的工作过程分为优选目标区、确定远景区、确定矿靶区、系统工程控制、提交地质报告等5个阶段，工作流是串行且相互独立的，其中从野外原始信息采集到室内资料整理和分析的过程漫长，造成人力物力的成本过高，如何利用科技手段缩短这一过程，是本文研究的主要内容。

1 技术优势

上文提及的地质勘探5个阶段，尤其是前3个阶段都需要进行多轮的地质数据采集到数据分析整理的过程，在不改变传统工作流的前提下，节省人力物力成本最佳的方法就是提高效率。本文根据地质勘探行业的现状分析，提出利用一种行之有效的地质数据鉴定方法把大部分的数据分析工作在勘探现场完成，少部分不具备条件的数据分析可以移送样品到院所实验室分析处理，这样就能节省数据分析的时间，现场数据分析也能指导现场作业，从而提高了数据采集到数据分析整理的效率。

本文提出的研究设计具备以下优势：提高数据采集到数据分析整理的工作效率；可为现场的工程师提供主观视角实时了解井道的情况；利用后台的专家系统实时分析井道各个地层的矿物成分信息；所有下井的部件都是无源的部件，安全性高。

2 系统方案

2.1 系统原理

许多物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，而且每种成分都有其吸收特征，因此可根据物质的近红外光谱分析物质的成分和含量。例如，层状硅酸岩矿物吸收1 100～2 500 nm波长范围的近红外光等。利用矿物的光谱特性，可以用指定光谱特征的光源照射矿物，采集矿物反射的光并进行成像和光谱分析。

地质勘探分油气矿和非油气矿，井下的部件有不能带电、打火花、避免发热的约束，光是大自然较为安全的粒子。结合地质特殊情况和矿物光谱特性，利用光学导光实现井下岩面光学采集是一种行之有效的方法。

目前工业上导光光纤的线路光衰0.4 dB/km，系统光衰余量按照4 dB为计，光路来回路径理论可达10 km，可支持勘探深度达5 km，满足大部分勘探作业任务要求，井下采用无源的导光部件，光电采集部分部署在井上。

光学系统由物镜、光缆、目镜、光源、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）传感器组成，具体情况可参考光学系统（见图1），其中下井部件为光缆和物镜，当钻机打到指定深度，起钻后在钻具上部署物镜，物镜镜头中心轴垂直于井道壁，物镜跟着钻具重新进入井道，物镜连接照明光缆和传像光缆，照明光缆由多束光纤面阵排列，照明光缆对端连接光源设备，光源设备提供指定光谱光源通过光纤从物镜射出照射在井道壁的岩面上；传像光缆由多束光纤面阵排列组成，每一根光纤作为面阵上一个像素在传像光缆两端的位置一一对应。物镜将井道壁岩面反射的光直接聚焦并成像于光纤面阵上，光纤面阵上的每一像素（每一根光纤）分别接收对应位置像的光能，并将该光能传输至传像光缆的目镜一端发出，传像光缆目镜端连接大靶面CMOS传感器，采集光纤面阵上的所有像素即实现了物镜的聚焦像的后端采集功能。利用钻机对钻具的旋转、升降控制来实现物镜对井道内壁四周及纵向的光学采集。

采集到井道内壁岩面的光学数据统一由处理系统处理，处理系统可以利用成像显示技术实时显示在显示屏幕上，让现场工程人员实时观测，可以利用数据统计和分析技术绘制光谱图形，可以利用集中大容量存储技术对原始数据和加工后的数据进行存储，可以利用数据库技术对原始数据进行匹配生成分析报告。处理系统的详情参见图1处理系统所示。

2.2 系统组成

2.2.1 光学系统

光学系统由物镜、光缆、目镜、光源设备、CMOS传感器组成。

（1）物镜。物镜固定在钻具下到井道，把照明光缆的光照射到井道内壁的岩面上，并吸收岩面反射的光。物镜是由树脂外壳包裹照明光缆和传像光缆，并在光缆的切面贴敷透光的透镜组成。

（2）光缆。光缆主要起到光线传导功能，本文的光缆由2条照明光缆、1条传像光缆、填充物、绝缘外皮组成，照明光缆和传像光缆都是由多束光纤面阵排列组合并且缆身有保护胶皮覆盖，光纤采用石英芯光纤。

（3）目镜。目镜部署在井上，目镜是由树脂外壳包裹照明光缆和传像光缆，与物镜不同的是，照明光缆的切面单独从目镜顶部引出接口给光源设备，传像光缆的切面单独引出同CMOS传感器相连接。

图1 系统示意

（4）光源设备。光源设备由卤钨灯光源、透镜聚焦系统、切光器、分光系统组成。

卤钨灯的复合光通过透镜系统聚焦后被切光器调制。调制后的光由分光系统进行分光，形成一系列按波长大小顺序排列的各谱段的光谱。其中分光系统采用交叉复折式单光路光栅扫描结构，由入射狭缝、光栅及两个凹面反射镜、出射狭缝组成。处理系统的图像处理单元驱动步进电机转动改变光栅的入射角度，使所需波段的单色光依次从出射狭缝射出，进而起到了控制光源波段的作用。

（5）CMOS传感器。CMOS传感器是一种固体成像传感器，由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、像素数据总线接口、控制接口等部分组成。本文提出的系统采用光灵敏度覆盖近红外波长范围、500万像素、12 bit色深、60帧的CMOS图像传感器。

2.2.2 处理系统

处理系统由图像处理单元、显示单元、专家数据库、存储服务器组成。

（1）图像处理单元。图像处理单元对CMOS传感器采集的像素数据进行图像处理和光谱分析，其中图像处理包含亮度调节、锐利度调节、饱和度调节等功能。

图像处理单元对光源设备控制，控制光源设备的出光的光谱特征。

图像处理单元可为现场作业人员提供行业定制化的服务，例如日常工作日志、数据统计、报告整理等功能，可以有效地实现工作流程数字化。

图像处理单元硬件由工控机加装视频采集卡组成。

（2）显示单元。显示单元由液晶显示器组成，提供显示呈现功能。

（3）专家数据库。硬件载体以刀片式服务器为主，服务器上搭配地质行业的数据库，为现场数据提供匹配依据。

（4）存储服务器。为处理系统提供集中存储的功能，主要以磁盘阵列为主。

3 结语

随着信息化时代的来临，各行各业的工作方式都发生了巨大的变化，地质勘探行业也不例外，地质勘探行业的信息化建设提出的“地质勘探项目决策实时化、地质勘探处理智能化、地质勘探流程数字化”3个发展思路很好地切合了自身传统行业的特点与信息化趋势有机结合。本文提出的系统设计正是切合这3个发展思路，把数据分析整理移到作业前线，让决策前移实时化；把专家数据库前移到作业前线，让处理智能化；把作业前线提供行业定制平台，让工作流程数字化，极大地提高了效率和质量。

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