例如在地质勘探领域，人们已经发现了非侵入技术，并由于这些技术 是非破坏性的，因此将其发展为包括钻探在内的传统实地测试技术的补充 或代用技术。在某些不可能钻探的情况下，例如在粒状土情况下，该非侵 入技术是探测地下的唯一方式。另外，它们通常是比较节约成本的。
非侵入技术还可用于探测位于表面以下介质的各类其它领域中，例如 用于评价道路、桥梁、建筑物的板材结合点、混凝土墙等的磨损情况，或 在采矿或军事应用领域中用于检测地下洞穴。
有趣的是，在非侵入测试领域中，表面波、尤其是Rayleigh波非常 有用。该技术的一种已知方法例如是表面波波谱分析(“SASW”)，它利 用表面波在不侵入的情况下确定地下的剪切速度分布图。该方法包括一对 传感器、至少一个脉冲源、以及信号处理系统。
尽管这种采用表面波的技术可通过改变两传感器之间的距离、利用不 同的脉冲源探测厚度范围很宽的土壤，但在上面举例讨论SASW的情况下， 为了在调查研究中获得地下介质的有用信息，其操作通常要求本领域非常 有经验的专家来参与。
因此，尽管本领域已经作了一些努力，但仍需要一种能对表面以下的 介质进行剖面勘探的系统，该系统包括传感器，脉冲发生器和用户计算接 口，它能收集、分析和处理数据，以供显示和非专业人士使用。

本发明的目的是提供一种改进的剖面勘探系统。
在本发明的一个实施例中，本发明包括一种可获得表面以下介质特征 的剖面勘探系统。该剖面勘探系统包括多个可通过通信接口交换消息的系 统部件。这些系统部件包括能量脉冲发生器、传感组件、以及用户计算接 口。用于向表面发送能量脉冲的发生器包括可与其它系统部件交换消息的 发生器通信装置。传感组件包括传感器。每个传感器都包括用于检测表面 上由能量脉冲产生的加速度、并产生代表该加速度的信号的加速度计。每 个传感器还包括接口通信装置，用以通过通信接口发送代表加速度的信 号，并与其它系统部件交换消息。用户计算接口包括接口通信装置，用以 接收代表加速度的信号，并通过通信接口与其它系统部件交换消息。用户 计算接口包括接口通信装置，用以接收代表加速度的信号，并通过通信接 口与其它系统部件交换消息。用户计算接口还包括接口处理器，用以处理 接收到的代表加速度的信号，形成表面以下介质的特征。
在另一实施例中，本发明涉及一种用于检测表面上加速度的传感器。 该传感器通过通信接口与计算装置交换消息。该传感器包括用于输出代表 加速度的信号的加速度计和包括发送电路的接口单元。接口单元接收代表 加速度的信号，对该信号进行调制，以供发送给计算装置。
在另一实施例中，本发明涉及一种用于检测表面上的加速度的传感 器。该传感器通过通信接口与计算装置交换消息。传感器包括基板，基板 包括用于输出代表加速度的信号的加速度计。传感器还包括与基板相结合 的质量块。质量块响应加速度而移动。传感器还包括这里要描述的接口单 元。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于向表面发送能量脉冲的能量脉 冲发生器。发生器通过通信接口与计算装置交换消息。发生器包括外壳。 发生器还包括在外壳内以可移动方式至少安装在静止位置、锁定位置和冲 击位置之间的冲击组件。冲击组件在冲击位置向表面发送能量脉冲。发生 器还包括与冲击组件相结合的能量存储装置。能量存储装置在锁定位置上 能向脉冲组件释放特定量的能量，这样一旦该特定量的能量释放出来，冲 击组件就从锁定位置移到冲击位置，然后回到静止位置。计算装置控制着 向冲击组件释放特定量的能量。
附图说明
附图中：
图1是依照本发明实施例的剖面勘探系统的示意图；
图2是图1的剖面勘探系统中使用的位移传感器的透视图；
图3是图2的位移传感器的俯视图；
图4是沿图3的剖面线4-4剖开的剖视图；
图5是图2的位移传感器的基板的俯视图；
图6是图5的位移传感器的等效电路图；
图7是图1的剖面勘探系统中使用的能量脉冲发生器的示意性剖视 图；以及
图8是依照本发明另一实施例的传感器的方框图。

概括而言，本发明的系统能够非侵入地物理分析位于表面以下介质的 机械特征，并显示其结果。
这种通过表面分隔而不能被直接勘探的介质可以是地下、混凝土墙厚 度、连接板厚度等。为了说明目的，将采用涉及地质测试的实施例来描述 本发明。因此，下面要研究的介质是通过该表面的地下的地表下区域。
更确切地说，本发明的系统利用传感器检测地面下区域的剪切波速 度，该剪切波是通过脉冲发生器产生激励的方式而引起的。
现参见附图中的图1描述依照本发明实施例的系统。
主要说来，系统10包括三个单元或系统部件：传感组件12；能量脉 冲发生器14，(下面称之为EIG)；以及用户计算接口16(下面称之为 UCI)。
如图1所示，传感组件12包括位于表面20的不同位置上的位移传感 器18。传感组件12包括许多传感器18，这些传感器包括依次位于不同位 置上的一个或多个传感器18。在依照本发明的系统10的特定实施例中， 传感组件12包括四个传感器。显然，其它传感器数量也是可行的。传感 器18的作用是检测表面20上响应能量脉冲发生器14产生的冲击脉冲串 的位移。
传感组件12的每个位移传感器18和能量脉冲发生器14都通过通信 接口21与用户计算接口16相连。可采用多种不同的技术将传感器18与 用户计算接口16连接起来。例如，通信接口21可包括光缆、同轴电缆、 多芯电缆、光链路、RF链路，图1中用标记22表示。可以选择的是，可 考虑将多路复用装置用于通信接口21。通信接口21用于在系统部件之间 传递包括指令和/或数据在内的消息。
如图2到4所示，传感器18护在外壳内。外壳可包括板27和用顶盖 25封闭的罩壳24。如果表面20不太硬，位移传感器18可通过安装在板 27上的螺纹连接26与表面20结合，罩壳24可插在板27上，并通过板 27的边缘28固定(参见图2a)。可以选择的是，在表面20太硬的情况 下，板27可通过粘结剂29固定在表面20上(参见图2b)，或者甚至简 单地放在表面20上。
罩壳24设有通信连接器30(参见图3)，用以通过与通信接口21的 连接22与用户计算接口16相连(参见图1)。
要注意的是，顶盖25还支撑着震动吸收元件32和阻尼元件34，它们 与罩壳24上结合的震动吸收元件32’和阻尼元件34’对称设置，顶盖25 支撑着任选的通信天线36或扩散器(未示出)。
如图4的剖面图所示，半导体基板42护在罩壳24内。在支撑着应变 仪44和电阻46、48(如图5所示)的半导体基板42的开口40内支撑着 质量块38。质量块38可响应加速度而移动。本领域的普通技术人员可以 理解的是，由于表面20下方的表面下区域中产生的剪切波引起的质量块 38的移动，引起了半导体基板42上的应变。
本领域普通技术人员要理解的是，半导体基板42及其所支撑的元件 (质量块38，应变仪44，电阻46等)概括称为加速度计或加速度计组件 或单元。可将加速度计概括定义为这样一种装置：它的响应与它所接触的 物质(例如该情况下是表面)的加速度呈线性比例关系。本领域普通技术 人员可以理解的是，加速度计或传感器18无需直接与表面接触。也可以 考虑与其它中间元件或介质接触。
如图6所示，位移传感器18的等效电路包括四个应变仪44和两个电 阻46，它们形成了惠斯登电桥。该电桥的一条对角线与DC电压源50相连， 而电桥的另一对角线用作应变敏感电路的输出，它与放大单元52相连。 按照下面要解释的，应变仪44用作将半导体基板42上的机械形变转换成 电信号(或其它类型的信息承载信号)的传感器。按照下面要描述的，电 阻48用于校正目的。
应变仪44用于记录测试过程中表面下区域的移动，并通过质量块38 传送给位移传感器18。可通过匹配电阻46对它们实施温度补偿。要注意 的是，图5的传感电路的高度对称性因惠斯登电桥在一定温度范围上的衡 平性也有助于温度补偿。
应变仪44可粘在半导体基板42的顶部，通过沉积设置在基板42上， 直接刻在上面。通过本领域的公知技术直接刻蚀半导体基板42保证了应 变仪44的最优位置以及温度失配最小，于是使得应力集中最小，从而可 以制造出高度灵敏的位移传感器18。
位移传感器18还包括接口板53(在此还称为接口单元)，如图4中 所示，它支撑着与通信连接器30和/或天线36相结合的所需通信电路。 通信电路的一个功能是调制代表表面加速度的信号(例如由惠斯登电桥获 得的信号)。调制包括对信号的所有变换，以备借助通信接口21发送。 如图6所示，位移传感器18还包括模数转换器47、发射电路49(也称为 传感器通信装置)和控制电路57。控制装置57用于电源管理，以便在校 正过程中将放大单元52的放大电平和残留误差调整到预定值。在基板42 上可添加频率滤波装置(未示出)、补偿与线性化装置(未示出)，用以 改变惠斯登电桥的电信号。在本发明的实施例中，基板42还包括存储器 装置和处理器(图2-6中都未示出)。控制电路57还可设定模数转换器 47的动态范围。
当然，电路类型还部分取决于位移传感器18和用户计算接口16之间 的通信接口21的通信22的类型。
位移传感器18既可以由外部供电，也可以通过集成的电源54、如位 于半导体基板42底下的电池内部供电(参见图4)。为了方便，这些电池 可位于罩壳内，或者甚至放在位于罩壳24外部的额外罩壳内。在本发明 的另一实施例中，传感器18可通过射频信号外部供电。
按照上面相对图2a和2b所解释的，每个位移传感器18都简单地放 在表面20上，或者通过粘接剂29固定在表面20上(图2b)，或者通过 螺纹连接26固定在表面20上(图2a)。
结合在顶盖25上的阻尼元件34以及结合在罩壳24上的对应阻尼元 件34’可由弹性或类凝胶材料制成。通过保证在一定温度范围上对能量的 恒定吸收，并假设它们由耐疲劳的材料如氯丁橡胶或硅树脂制成，它们可 优化阻尼因子，并有助于让信号质量最优。
实际上，如果在振幅和相位失真的意义上进行评估，位移传感器18 的性能主要取决于装置的放大因子和阻尼因子。
震动吸收垫32和32’在保护位移传感器18不受例如处理过程中的过 度震动方面很有效。
为了密封位移传感器18和保护其不受不利环境影响，在盖25和罩壳 24之间设置了热塑性的弹性密封制品或橡胶接头55(见图4)。
需要指出的是，本发明的位移传感器18包括集成了应变仪44、放大 器52和控制电路57的半导体基板42，它能降低噪信比，因此也减少了向 UIC 16发送过程中的信号污染。倘若需要，位移传感器18还可包括模数 倒相器47，它也有助于降低发送过程中的噪信比。
此外，本领域的人可以认识到，利用半导体应变仪44可以比利用传 统箔式应变仪获得更优的增益。
还要强调的是，利用质量块38有助于提高响应性，因此也提高了应 变仪组件的测量能力。
本领域公知的是，依照该公开的位移传感器18可这样操作：在没有 加速度的情况下向电路供电时，基板42不产生应变，应变仪44的电阻维 持在其原始电平，从而电路的输出信号为零。在产生了加速度时，有外力 施加在质量块38上，这使得基板42发生形变，由于基板42使应变仪44 弯曲变形，从而导致电阻元件的电阻值变化。该形变改变了应变仪44的 标称电阻，使得惠斯登电桥的平衡条件被打破，电路产生电压输出。本领 域的普通技术人员可以理解的是，通过对该输出电压的分析可以获得测试 过程中表面下区域的特征。
现在参照附图7描述能量脉冲发生器14。
能量脉冲发生器14包括弹簧60，该弹簧被设定成受电动机组件62的 压制以便存储能量，并通过卡锁66拉紧冲击头组件64。可通过触发拉住 卡锁66的电磁阀68来释放冲击头组件64，由此释放冲击头组件64，使 得弹簧60拉伸。
显然，弹簧的动力源(在此举出电动机组件62来说明)可以是气动、 液压、电动或机械源。
弹簧60反作用于冲击头组件64的惯性，并在冲击时给出脉冲，它也 用作冲击头组件64的制动装置，用以避免冲击头组件在冲击后回弹。
位于例如卡锁66上的应变仪电路(更概括地说，也称为应变测量装 置)或位于冲击头组件64上的加速度计67用于通过与从UCI 16发给EIG 14控制电路的能量命令作比较来监测存储到弹簧60中的能量。
设置阻尼器72来吸收该组件上产生的震动，同时能量脉冲发生器14 通过冲击头组件64冲击所要分析的元件而发出能量脉冲。
控制电路(未示出)可以监控EIG 14释放的能量和整个操作。EIG 14 还可包括其它电路(未示出)，例如操纵和管理EIG 14的处理器；以及 存储器装置。存储器装置包括各类存储器，如随机存取存储器(RAM)、 只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)等。RAM可用在 计算过程，用于数据存储和时间戳记录(从处理器84或传感器单元开始 到被发射或传递)。ROM包括初始化编码、起始序列等。EEPROM包括操作 算法、图表、传感器标识等。EEPROM数据可通过通信接口21来接收。
设置电源组件65用于容纳电池。它也为EIG 14的整个结构增加了重 量。电源组件65包括可充电电池。电池可通过接触或不接触(例如通过 RF)方式充电。通过直接电缆馈电供应电力是任选的。
EIG 14利用螺纹连接26或其它与用于位移传感器18的连接方式以及 上述连接方式相类似的结合方式固定到表面20上。结合装置的其它例子 包括砝码、磁性材料、粘结材料、“Ramset”或爆裂驱动型锚定装置等。 可以理解的是，这类结合装置也可用于传感器18。
用于激励上述冲击发生过程的能量可通过由用户计算接口16(UCI) 发出的命令释放，并通过电缆、光学信号或射频信号发送给EIG 14。该命 令触发了该机构的负荷与卸荷，于是EIG 14输出能量脉冲。
图1列举的用户计算接口(UCI)16包括许多子系统：用户接口系统， 包括键盘、电源和功能键，显示屏和/或触摸屏和/或语音识别装置；设备 接口，它与其它输出装置如打印机(未示出)相连；具有IEG的接口系统； 信号收集系统，用以从传感组件12的位移传感器18收集数据；处理系统， 它进行计算，并一起管理各个接口；以及与其它计算机连接的计算机接口 系统。
当然，UCI 16存储着程序或算法，它们例如能控制能量脉冲发生器 14和位移传感器18，并从传感组件12的位移传感器18收集和存储数据。 此外，该程序还分析收集到的数据，以计算出表面以下介质的某些性质和 特征，并将它们显示出来。
要注意的是，每个不同的组件都能以自主方式操作，或者可通过中央 单元供电。
更令人感兴趣的是，如果UCI 16内存储的程序和软件适当，本发明 的系统可用于各种用途。
例如，在地质测试领域，本发明的系统可用于采矿业中检测地下的矿 囊或缺陷。举一个进一步的例子，在军事领域，本发明的系统可用于研究 地区的地质结构，以便有效地进行定向爆破或者揭开隐匿处。本发明可用 于向所谓的“JTIDS”(“Joint Tactical Information Distribution System”)之类的系统提供数据。
另外，本领域的人们可以预见到，可加上GPS或陀螺仪系统为传感组 件12的每一个位移传感器18和EIG 14定位。一个可能的应用涉及识别 地下洞穴并确定其空间坐标。可为UCI 16引入一种能利用全球定位系统 (GPS)绘制用于地下隐藏的掩蔽所、设备等体积的算法。尤其在军事应 用中，该算法还能检测所有结构缺陷，以便为了对洞穴或地下隐藏区域造 成最大损害而为战斗装药的战略性投放制订计划。
假设为UCI 16引入了适当算法，可采用本发明的系统10的另一可行 应用是通信领域，其利用了低频剪切波在长距离或大深度上传播的性质。 该专用的用户计算接口16可在地面上执行单向或双向通信、检测、识别 和定位位移。在这种应用中，系统10用作发射机机电装置，它将各种频 率的能量引到地上，产生地波。由于低频率的剪切波可深深传到地中，并 可长距离传播，而高频波只能短距离传播，因此通信信号由按照频率和相 对幅度调制的能量信号组成，它能启动、传送和终止预定的通信协议。由 于复杂地球物理环境引起的各种影响，发出的信号在其穿过的途中时域和 频域(frequency domain)受到干扰。在接收端使用的传感组件12与UCI 16一起还原该信号，以便重建该频域及其随时间的变化。它的高频成分用 作可靠地定位信号源的工具。
另外，位移传感器18的分布能定位发射机或由军队、运动的汽车或 地面上的冲击产生的任何信号源的三角测量。重建输入信号以后，UCI 16 可以处理模式识别数据库，以便进行特征匹配，并识别发射源。
图8示出了依照本发明的另一实施例的传感器80。传感器80包括加 速度计88，它的响应相关于与传感器80接触的表面20。加速度计88包 括应变仪、电容器、或压电装置。于是加速度计88是传统型的加速度计， 但也可以采用其它技术，例如Micro Electro Mechanical Systems(MEMS) 或Nano Electrical Mechanical Systems(NEMS)。
将加速度计88产生的代表加速度的信号(电或其它等效信息承载型 信号)馈送给放大器90。在列举的实施例中，放大器90是自动增益放大 器。所以放大器90用于增大传感器80的动态范围。放大器90的增益传 给处理器84，进而它将影响RF通信电路102发出的信号。
信号经过放大器90后传给低通滤波器92。低通滤波器92消除了在频 域中的频谱混叠和时域中的失真。然后采样和保持装置94接收信号，对 其采样，并将其保持到足以让模数转换器96实施模拟信号到数字信号的 转换的时间。
本领域的普通技术人员可以理解的是，可以增加第二组的加速度计 (未示出)、放大器(未示出)和低通滤波器(未示出)，第二组与前面 描述的第一组并行，并向采样和保持装置94馈送信号。上述传感器80用 作简单的加速度计。由于第二加速度计被布置成能拾取在垂直于加速度计 88的轴线的轴线上的加速度，传感器80成为测斜仪。在本发明的另一实 施例中，传感器80包括第三组的加速度计(未示出)、放大器(未示出) 和低通滤波器(未示出)，它与前述的第一和第二组并行，并向采样和保 持装置94馈送信号。由于第三加速度计被布置成能拾取在垂直于加速度 计88和第二加速度计的轴线的轴线上的加速度，传感器80成为陀螺仪。
本领域的普通技术人员可以理解的是，可利用加速度计88输出的代 表加速度的信号在时间上的积分计算速度。人们可以通过速度对时间的积 分计算距离。这些计算可在处理器84内进行。
参见图8所示的实施例，模数转换器96的信号发送给低通滤波器98， 它将去掉不想要的频率。低通滤波器98还可被包括在模数转换器96中。 为了去除(振幅或相位上的)所有失真，可在补偿和线性化装置100内对 信号进行补偿和线性化。补偿和线性化装置100将信号线性化，以保证频 率成分的性能均一，线性化装置100还可扩展信号的频谱。
最终信号发送给通信电路102。通信电路102通过通信接口21接收消 息，并向UCI 16或与传感器组件12类似的传感组件中的其它传感器80 (未示出)发送消息，消息包括指令和/或数据消息。典型的指令包括： 重置；初始化；下载；新算法；线性化；补偿和识别参数(发送或下载)； 校正；传输方式(例如直接，网络)；启动采样；能量保存等。在网络模 式中，通信协议将建立把传感器的数据传送给传感器、最终传给UCI 16 的最佳路径。由此传感器80就用作数据中继。可保护通信电路102不受 电磁干扰。在本发明的实施例中，每个传感器80都有其自己的网络协议 (Internet Protocol-IP)地址，由此可以访问它们。
传感器80还包括能操纵并管理传感器80的处理器84。传感器80包 括存储器装置86。存储器装置86包括各类存储器，例如随机存取存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)等。RAM可 用在计算过程中，用于数据存储、以及时间戳记录(从处理器84或另一 传感器80开始，到被发送或传递)。ROM包括初始化编码、起始序列等。 EEPROM包括操作算法、图表、传感器标识等。EEPROM数据可通过通信接 口21接收。
传感器80的电力可由电源82提供。电源82包括可再充电的电池。 电池可通过接触或不接触(例如通过RF)方式再充电。通过直接电缆馈电 的供电方式也是一种选择。
任选的是，传感器80还包括定位电路(未示出)，例如电子陀螺仪 或全球定位系统(GPS)接收器。
在本发明的实施例中，外壳104包括三个部分。外壳104被气密地密 封，以保护其所有部件不受外部元件影响。第一部分106保持着电池和功 率调整电路。第二部分108保持着零件84-100以及定位电路(未示出)。 第三部分110保持着通信电路102。第三部分110的表面是导电的，由此 提供了电磁屏障，用以保护通信电路102不受电磁干扰(EMI)。
尽管上面通过优选实施例描述了本发明，但在不脱离所附权利要求限 定的主题发明的精神和实质范围的情况下，可对其进行修改。