[发明专利]一种起伏地表物理模型的激光超声实验系统

说明书

本发明提出了一种起伏地表物理模型的激光超声实验系统，该系统包括激光器、喷粉器、激光测振仪和地震模型：激光器和喷粉器安装在一起，设置在地震模型表面的上方；喷粉器用于向地震模型表面的激发点喷微量粉末，激光器用于向地震模型表面的激发点发射激光；激光测振仪设置在地震模型表面的上方，用于接收超声波。本发明的系统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。

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系统，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系统。本发明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、高精度、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了一种新的地震模拟实验系统。该系统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、宽频带和多波的采集，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，可获取起伏地表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。这些数据用于指导野外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系统，该系统包括激光器、喷粉器、激光测振仪和地震模型：

激光器和喷粉器安装在一起，设置在地震模型表面的上方；

喷粉器用于向地震模型表面的激发点喷微量粉末，激光器用于向地震模型表面的激发点发射激光；