[发明专利]一种面激光扫描荧光三维成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种面激光扫描荧光三维成像系统及方法，利用氩离子激光发生器发射的面激光激发三维孔隙或裂隙渗流模型中一个截面的荧光液体，采用相机、滤光片采集组合以采集特定波长的光线，并于相机内呈现出该截面的相结构。通过机械平台的运动和相机的高速摄像实现对三维孔隙或裂隙模型的完整扫描，以得到某一时刻模型从前到后不同截面的相结构二维平面图，最后将二维平面图重构得到三维结构图。通过控制面激光不间断的来回扫描模型，实现了对三维孔隙或裂隙渗流过程的实时观测。本发明的方法操作简单，成像快，分辨率高，具有可以捕捉到流体动态渗流的行为特征和可以开展宏观尺度的三维结构渗流研究的优势，并且成本较低。

技术领域

本发明属于孔隙和裂隙介质多相渗流技术领域，具体涉及一种面激光扫描荧光三维成像系统及方法。

背景技术

地下孔隙和裂隙介质中复杂流动和多场耦合过程是一个涉及大型水利水电工程、水文水资源、地下水环境等领域的前沿科学问题。深入的了解和认识这种多场多相的耦合渗流规律及机制对于地下涉水工程建设和安全运行具有指导性意义。

由于受到技术手段的限制，地下多相渗流难以直接进行精细化原位观测。目前孔隙和裂隙结构多相渗流细观机制的研究多采用岩心试样和仿真模型进行相应的室内试验观测。岩心试样渗流试验能够真实的反映地下孔隙、裂隙三维结构中复杂多相渗流的特征，然而岩心本身是一个非透明的结构，研究过程中必须要借助如CT机、核磁共振机这内非常昂贵的设备进行渗流过程的可视化。受设备技术限制，在研究过程主要存在2个方面的不足：1扫描速度慢，难以捕捉到流体的动态渗流的特征行为；2扫描精度和扫描大小受限(mm级)，无法开展宏观尺度(cm级)的渗流研究。另一种方法是开展仿真模型试验如微流体试验，它是利用透明的替代材料直接构建类孔隙、裂隙的通道结构并结合光透射法开展相应的可视化的实验研究。然而受光透射平面成像原理的限制，现阶段的仿真实验，只能够记录和开展二维平面流动的实验，不能够反映岩土结构的三维流动特征。

综上所述，目前技术手段的制约已成为地下多相渗流研究的瓶颈，有必要专门研制一套系统，以突破现有技术的限制。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术的不足，提供一种面激光扫描荧光三维成像系统及方法，该系统采用荧光激发原理、三维重构技术并通过机械装置设计实现了三维孔隙或裂隙介质渗流过程的实时观测；此外本发明的方法操作简单，成像快，分辨率高，成本较低。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面激光扫描荧光三维成像系统，包括氩离子激光器、电控位移台、相机、滤光片、透明三维孔隙或裂隙模型、供液系统和控制主机；

其中，所述氩离子激光器位于透明三维孔隙或裂隙模型的侧面，发射面激光依次激发透明三维孔隙或裂隙模型一个截面内的溶有荧光染料的液体；所述相机位于透明三维孔隙或裂隙模型的正面，滤光片位于相机镜头的前面，所述相机与滤光片组合用来采集荧光液体被激发后发生的特定波长的光线；

所述氩离子激光器和所述相机保持同步运动且整体固定于电控位移台的上方，所述电控位移台通过控制主机来控制移动方式、距离和速度；相机通过数据线与控制主机相连，所述供液系统通过管道向透明三维孔隙或裂隙模型注入荧光液体，通过控制主机实现对透明三维孔隙或裂隙模型渗流过程的实时观测。

作为改进，所述氩离子激光器固定在第一底座上，相机固定在第三底座上，所述第一底座和所述第三底座通过第二底座连接，其中所述第一底座和所述第三底座平行设置，所述第二底座分别垂直所述第一底座和所述第三底座。所述第三底座与电控位移台相连，相机和滤光片均固定连接所述第三底座上，所述电控位移台带动第一底座、第二底座和第三底座一起移动，从而带动氩离子激光发射器、相机和滤光片一起移动，并且相对位置不变。

作为改进，所述氩离子激光发射器发射的面激光经过透明三维孔隙或裂隙模型会激发模型内一个截面的荧光液体，同时通过相机进行拍摄记录，所述氩离子激光发射器发射的面激光从上到下整体覆盖所述透明三维孔隙或裂隙模型。