韋 宇

（廣州海格通信集團(tuán)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(biāo)區(qū)、確定遠(yuǎn)景區(qū)、確定礦靶區(qū)、系統(tǒng)工程控制、提交地質(zhì)報(bào)告等5個(gè)階段，工作流是串行且相互獨(dú)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(gè)階段，尤其是前3個(gè)階段都需要進(jìn)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(shí)驗(yàn)室分析處理，這樣就能節(jié)省數(shù)據(jù)分析的時(shí)間，現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析也能指導(dǎo)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(jì)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(shí)時(shí)了解井道的情況；利用后臺的專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析井道各個(gè)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(jìn)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(xué)導(dǎo)光實(shí)現(xiàn)井下巖面光學(xué)采集是一種行之有效的方法。

目前工業(yè)上導(dǎo)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(jì)，光路來回路徑理論可達(dá)10 km，可支持勘探深度達(dá)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(dǎo)光部件，光電采集部分部署在井上。

光學(xué)系統(tǒng)由物鏡、光纜、目鏡、光源、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）傳感器組成，具體情況可參考光學(xué)系統(tǒng)（見圖1），其中下井部件為光纜和物鏡，當(dāng)鉆機(jī)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(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)了物鏡的聚焦像的后端采集功能。利用鉆機(jī)對鉆具的旋轉(zhuǎn)、升降控制來實(shí)現(xiàn)物鏡對井道內(nèi)壁四周及縱向的光學(xué)采集。

采集到井道內(nèi)壁巖面的光學(xué)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(shí)時(shí)顯示在顯示屏幕上，讓現(xiàn)場工程人員實(shí)時(shí)觀測，可以利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析技術(shù)繪制光譜圖形，可以利用集中大容量存儲(chǔ)技術(shù)對原始數(shù)據(jù)和加工后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可以利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配生成分析報(bào)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(xué)系統(tǒng)

光學(xué)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(dǎo)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(hù)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(dú)從目鏡頂部引出接口給光源設(shè)備，傳像光纜的切面單獨(dú)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(fù)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(jìn)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(fù)折式單光路光柵掃描結(jié)構(gòu)，由入射狹縫、光柵及兩個(gè)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)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(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、像素?cái)?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(chǔ)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?cái)?shù)據(jù)進(jìn)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(jì)、報(bào)告整理等功能，可以有效地實(shí)現(xiàn)工作流程數(shù)字化。

圖像處理單元硬件由工控機(jī)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(chǔ)服務(wù)器。為處理系統(tǒng)提供集中存儲(chǔ)的功能，主要以磁盤陣列為主。

3 結(jié)語

隨著信息化時(shí)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(xiàng)目決策實(shí)時(shí)化、地質(zhì)勘探處理智能化、地質(zhì)勘探流程數(shù)字化”3個(gè)發(fā)展思路很好地切合了自身傳統(tǒng)行業(yè)的特點(diǎn)與信息化趨勢有機(jī)結(jié)合。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是切合這3個(gè)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(shí)時(shí)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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