[发明专利]一种激光超声波检测系统及其检测方法

说明书

技术领域

本发明属于地震物理研究领域，涉及一种激光超声波检测装置，特别是一种在室内条件下用超声波方法模拟野外地震勘探地震波产生和接收的系统，属于激光振动检测领域。

背景技术

地震物理模拟研究是指利用物理模型对地震及有关现象，特别是波动现象进行研究，它是实验地质学的一个重要组成部分，又被称为模型地质学。模型地质学研究中最普遍使用的方法是超声波方法，因此常被称为超声地震模拟。超声地震物理模型实验通过超声波在地质模型中的传播观测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。它解释和解决了许多地球物理勘探中出现的实际问题，从而极大地推动了地震学理论的发展。

目前地震物理模型实验一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收。

这种探头通常由压电晶片组成，其结构比较简单，安装方便，收发可互换。图1是压电接触式探头的内部结构图。图2时由压电式探头组成的检测系统。图2的左边采用的是反射测量法，右边是透射测量法。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。

为了使发射和接收时有较好的耦合效果，通常我们采用水浸法测量，即地质模型放置在水中，探头紧贴水面安装。由压电式发射和接收探头及三维坐标仪组成的地质模型自动检测系统在水浸法测量时可取得较好的效果。水浸法测量也产生新的问题。虽然它可以模拟海洋地震勘探条件，但与实际陆上野外测量相比水浸法测量多了一层水，降低了实验的真实性。其次，由于探头在水中只能传播和接收纵波不能传播和接收横波，使得水浸法不能对地质模型中的横波传播规律和特点进行研究。

现有技术中，压电式探头相对简单，价格较低，但在进行地质模型检测时，使用压电式探头进行发射和接收时会产生一些问题。为了真实地模拟野外激发和检测，发射器件应具有发射点小、宽带、非接触、点发射、多波发射(即能同时发出横波和纵波等多种波)和重复性好等特点；检测器件应具有体积小、宽带接收、非接触点测量、灵敏度高、重复性好和测量范围宽等特点。

但压电式超声波探头在对固体地质模型，尤其对复杂表面模型进行检测时远远不能满足上面的要求。由于工艺方面的原因器件检测部分接触面较大，当对曲表面模型进行检测时，探头和模型表面耦合效果差；由于现有超声波探头只能进行窄带发射和接收，因此测量不能反映野外施工宽频接收的实际情况。另外由于是接触式测量，采用手动方式则测量效率低、精度差；当通过机械方式移动时每次都要重复进行拔起和放置这个过程，而每次放置点探头和模型间的接触压力很难做到一致，因此测量的重复性差，容易损坏探头。目前往往一套固体地质模型的完整测试需要几个月时间，远远不能满足科研生产的需要。另外，一般探头只能发出或检测单方向的振动，不能模拟野外三分量勘探同时进行三个分量信号同时发射和接收的情况。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，研发了一种激光超声波检测系统及其检测方法。本发明的目的是为了在实验室内真实模拟野外实际数据采集过程。通过采用新的发射方法、发射设备、采集方法，采集设备和采集手段，取得高效、快速、准确的采集效果并得到高质量的采集数据。

本发明为了解决上述技术问题，所采用的技术方案为，

一种激光超声波检测系统，所述系统包括激光发射单元，激光接收单元，模数/数模转换单元和中央处理单元；

所述激光发射单元包括激光发射源，所述激光发射单元和激光接收单元与待测地质模型采用非接触检测方式；所述激光发射源向待测地质模型发出激光脉冲，所述激光接收单元接收待测地质模型所发出的振动脉冲信号；

所述模数/数模转换单元将所述激光接收单元收到的信号进行模数转换，后将数据传输给所述中央处理单元进行信号处理。

当进行单点检测时，所述激光发射单元包括强脉冲激光源；所述激光接收单元包括单点激光多普勒测振仪；所述单点激光多普勒测振仪为单点接收方式，其只对一个方向的振动进行检测。

当进行多点检测时，所述激光发射单元包括强脉冲激光源；所述激光接收单元包括三维激光多普勒测振仪；所述三维激光多普勒测振仪采用三维接收方式，其对待测地质模型表面三个方向的振动同时进行检测。

为了使发射端和接收端可自由移动，所述系统还包括一组三维坐标仪；所述每个三维坐标仪包括空间三个运动方向机械支杆，且每个方向机械支杆上均设置有伺服电机；所述各伺服电机与电机控制器连接，所述电机控制器控制各伺服电机动作；