一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统及方法与流程

1.本发明属于油、气、水井测井技术领域，具体涉及一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统及方法。


背景技术：

2.近年来，由于光纤温度传感技术具有准确度高、易于形成分布式多点温度测量、信号传输距离远、性能稳定等技术优势，在石油测井技术中受到广泛重视。目前多采用一根光纤上串接多个光纤光栅(fbg)，从而形成准分布式温度传感器。这种分布式温度传感器具有测量空间分辨率高、测量准确度高、性能稳定可靠、寿命长等优点。
3.但是，目前的fbg分布式传感器大多采用强反射fbg形成，其优点是信号解调简单，测量准确稳定可靠。缺点是由于受限于光源的带宽，在一根光纤上形成的传感节点个数十分有限，从而难以形成大规模分布式温度测量网络。这极大限制了其在石油测井行业的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，克服现有技术中存在的上述技术问题。
5.本发明的另一个目的在于提供一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，全井筒温度测量准确性高。
6.为此，本发明提供的技术方案如下：
7.一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，包括宽带光源、光隔离器、光环形器、多点弱反射光纤光栅串、波分复用器、光耦合器、斜坡滤波器、光电探测器和采集卡及上位机，所述多点弱反射光纤光栅串为两种反射中心波长的光栅等距离交替串联的一根光纤；
8.所述宽带光源发出的脉冲光经过光隔离器后单一方向经过光环形器，到达多点弱反射光纤光栅串，多点弱反射光纤光栅串反射的中心波长信号再经过光环形器的另一端输出到波分复用器，经波分复用器分为两路且均通过对应的光耦合器一分为二，一路通过斜坡滤波器到达光电探测器，另一路直接到达光电探测器，经光电探测器将光信号转换为电信号，输出到采集卡及上位机，在上位机上完成数据的处理和分析，计算出测量点所处的环境温度，并显示。
9.所述宽带光源的波长范围是1525nm-1625nm，脉宽为5-8ns。
10.所述多点弱反射光纤光栅串中的两种反射中心波长的光栅交替排列，数量100个以上，同波长弱反射光纤光栅间距1m，相邻光栅间距0.5m，反射率一致，均为1％。
11.所述斜坡滤波器为强耦合多芯光纤，同一包层内包含七根纤芯。
12.一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，包括以下步骤：
13.步骤1)将设定好的光脉冲接入光隔离器进行整合，得到一定带宽的光脉冲信号；
14.步骤2)光脉冲信号经过光环形器一端进入多点弱反射光纤光栅串，得到光栅串弱反射多个不同时序不同位置的特定光信号；
15.步骤3)特定光信号经光环形器另一端进入波分复用器，根据其波长的不同分为两路，得到两路光信号；
16.步骤4)两路光信号都引入相同的参考光路，同时采用斜坡滤波器得到解调后的光信号；
17.步骤5)建立参考光路与解调光信号的关系得到每一个光栅位置的准确温度值。
18.步骤2)的具体过程如下：
19.多点弱反射光纤光栅串由两种波长的弱反射光纤光栅间隔设置，相邻两个弱反射光纤光栅间隔相同，计算出相邻两个同波长弱反射光纤光栅返回的时间间隔，光栅串上每个光栅依次按1％的反射率反射相应不同时序的特定光信号，每个特定光信号携带相应位置的温度信息。
20.步骤4)的具体过程如下：
21.每一个弱反射光纤光栅反射回的脉冲光信号均经过点耦合器分成双光路，一光路设置斜坡滤波器，得到的是光强信号，另一光路直接得到波长信号。
22.步骤5)的具体过程如下：
23.一光路设置斜坡滤波器，将波长信号转化成光强信号，光强信号经过光电探测器获得电压u1，另一光路将波长信号经过光电探测器获得电压u2，以u2作为参考信号来抑制系统噪声，通过建立u1/u2与弱反射光纤光栅反射波长之间的关系获取被测温度的准确信息；
24.其中，u1＝f'(λ)
×
pi
×
δλ，u2＝pi
25.f(λ)为斜坡滤波器输出功率随波长变化的函数，f'(λ)为斜率，pi为输入耦合器的功率，δλ为弱反射光纤光栅在温度变化下反射波长的变化量；
26.δλ＝1/f'(λ)
×
(u1/u2)
27.f'(λ)为已知量，通过测量u1/u2便可获得δλ，进而获得被测温度信息。
28.本发明的有益效果是：
29.本发明提供的这种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，选用波长范围为1525nm-1625nm，脉宽为5-8ns高功率宽带脉冲光源，满足单根100点以上光纤光栅串反射光信号的频谱范围要求，可以使得相邻两光栅之间返回信号在时间上不产生交叠，从而建立了分布式光纤光栅温度传感网络，获得100点以上串联光栅的每一个温度信息，而且最高空间分辨率可以达到0.2m；多点弱反射光纤光栅串同时两种波长光栅等距离交替串联，既消除了光源带宽对传感节点数目的限制，也消除了光谱阴影效应对传感节点数目的限制，完整建立了分布式光纤光栅温度传感网络。
30.双波长光信号通过波分复用器分开后，各形成一个光路，双波长无干扰的传输，达到了每一个光栅温度的同步测量。引入双光路探测法有效的抑制了共同光路的噪声，提高了系统的信噪比，进而提高了解调精度。满足井下全井筒温度测量的需求。
31.本发明方法可对一根光纤上多点弱反射光栅温度传感器的传感信号同时提取、分析，从而准确获得井下全井筒定点温度值。温度测量范围在-20～250℃，精度
±
0.1℃，传感器空间分辨率0.5m，单根光纤串联光栅100个以上。每个测温点的温度值不受光源、光路等
的干扰，温度值的准确性远高于现有系统。
32.下面将结合附图做进一步详细说明。
附图说明
33.图1为本发明原理图；
34.图2为本发明噪声抑制光路图。
35.1、宽带光源；2、光隔离器；3、光环形器；4、多点弱反射光纤光栅串；5、波分复用器；6、光耦合器；7、斜坡滤波器；8、光电探测器；9、采集卡及上位机。
具体实施方式
36.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
37.现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
38.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
39.实施例1：
40.本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，如图1所示，包括宽带光源1、光隔离器2、光环形器3、多点弱反射光纤光栅串4、波分复用器5、光耦合器6、斜坡滤波器7、光电探测器8和采集卡及上位机9，所述多点弱反射光纤光栅串4为两种反射中心波长的光栅等距离交替串联的一根光纤；
41.所述宽带光源1发出的脉冲光经过光隔离器2后单一方向经过光环形器3，到达多点弱反射光纤光栅串4，多点弱反射光纤光栅串4反射的中心波长信号再经过光环形器3的另一端输出到波分复用器5，经波分复用器5分为两路且均通过对应的光耦合器6一分为二，一路通过斜坡滤波器7到达光电探测器8，另一路直接到达光电探测器8，经光电探测器8将光信号转换为电信号，输出到采集卡及上位机9，在上位机上完成数据的处理和分析，计算出测量点所处的环境温度，并显示。
42.本实施例提供的这种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，宽带光源1为光栅分布式温度传感器网络提供光信号；光隔离器2的作用是避免杂散光及反向注入光对光源的破坏和光信号的干扰；光环形器3是构建光路的作用，使各路光走各自的通道；多点弱反射光纤光栅串4：单根光纤上串联两种波长的弱反射光纤光栅，数量100个以上；波分复用器5为光学滤波器，将两种波长光栅反射的光分离开，实现系统的波分复用；光耦合器6为一分二耦合器，将光信号分为两路，一路先传到斜坡滤波器7，再到达光电探测器8，另一路直接到达另一个光电探测器8；斜坡滤波器7将反射光的波长信息转化为光功率信息，避免进行波长扫描，提高解调速度。光电探测器8：结合调理电路，将输出的与光功率成正比的
满足一定范围的电压信号，供后续采样处理系统使用。采集卡及上位机9：采集输出的电压信号，上位机通过usb接口与其进行数据通讯，在上位机上完成数据的处理和分析，计算出测量点所处的环境温度，并显示、存储。
43.实施例2：
44.在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，所述宽带光源1的波长范围是1525nm-1625nm，脉宽为5-8ns。
45.该宽带光源1发出的宽带光信号能够满足单根100点以上光纤光栅串反射光信号的频谱范围要求，从而满足井下全井筒温度测量的要求。
46.实施例3：
47.在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，所述多点弱反射光纤光栅串4中的两种反射中心波长的光栅交替排列，数量100个以上，同波长弱反射光纤光栅间距1m，相邻光栅间距0.5m，反射率一致，均为1％。
48.多点弱反射光纤光栅串4为两种反射中心波长的光栅等距离交替串联的一根光纤，总长度在10公里以内，同时两种波长光栅等距离交替串联，实现分布式光纤光栅温度传感网络的建立。
49.实施例4：
50.在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量系统，所述斜坡滤波器7为强耦合多芯光纤，同一包层内包含七根纤芯。
51.如图1所示，光耦合器6连接的一路与斜坡滤波器7、光电探测器8依次连接，另一路直接与光电探测器8连接。通过斜坡滤波器7实现将弱反射光纤光栅的反射波长转化为光强信息进行快速解调。
52.实施例5：
53.本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，包括以下步骤：
54.步骤1)将设定好的光脉冲接入光隔离器2进行整合，得到一定带宽的光脉冲信号；
55.步骤2)光脉冲信号经过光环形器3一端进入多点弱反射光纤光栅串4，得到光栅串弱反射多个不同时序不同位置的特定光信号；
56.步骤3)特定光信号经光环形器3另一端进入波分复用器5，根据其波长的不同分为两路，得到两路光信号；
57.步骤4)两路光信号都引入相同的参考光路，同时采用斜坡滤波器7得到解调后的光信号；
58.步骤5)建立参考光路与解调光信号的关系得到每一个光栅位置的准确温度值。
59.本方法宽带光源1发出的脉冲光经过光隔离器2后单一方向经过光环形器3，到达多点弱反射光纤光栅串4，多点弱反射光纤光栅串4反射的双波长光信号再经过光环形器3的另一端输出到波分复用器5，通过波分复用器5分开后，各形成一个光路，双波长无干扰的传输，达到了每一个光栅温度的同步测量。双波长各走一个光路，每一个光路再分为两路，一路通过斜坡滤波器7，而另一路不经过斜坡滤波器7作为参考光路，每一个斜坡滤波器7实现将弱反射光纤光栅的反射波长转化为光强信息进行快速解调。经斜坡滤波器7得到解调后的光信号进行光电转换后输出电压u1，参考光路的波长信号行光电转换输出电压u2，建
立参考光路与解调光信号的关系得到每一个光栅位置的准确温度值。
60.实施例6：
61.在实施例5的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，步骤2)的具体过程如下：
62.多点弱反射光纤光栅串4由两种波长的弱反射光纤光栅间隔设置，相邻两个弱反射光纤光栅间隔相同，计算出相邻两个同波长弱反射光纤光栅返回的时间间隔，光栅串上每个光栅依次按1％的反射率反射相应不同时序的特定光信号，每个特定光信号携带相应位置的温度信息。
63.采用双波长光纤光栅交替排列，既消除了光源带宽对传感节点数目的限制，也消除了光谱阴影效应对传感节点数目的限制，完整建立了分布式光纤光栅温度传感网络。
64.实施例7：
65.在实施例5的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，步骤4)的具体过程如下：
66.每一个弱反射光纤光栅反射回的脉冲光信号均经过点耦合器分成双光路，一光路设置斜坡滤波器7，得到的是光强信号，另一光路直接得到波长信号。
67.双波长各走一个光路，每一个光路被耦合器再分为两路，一路通过斜坡滤波器7，而另一路不经过斜坡滤波器7，每一个斜坡滤波器7实现将弱反射光纤光栅的反射波长转化为光强信息进行快速解调。
68.实施例8：
69.在实施例5的基础上，本实施例提供了一种基于弱反射光纤光栅井下分布式温度测量方法，步骤5)的具体过程如下：
70.一光路设置斜坡滤波器7，将波长信号转化成光强信号，光强信号经过光电探测器8获得电压u1，另一光路将波长信号经过光电探测器8获得电压u2，以u2作为参考信号来抑制系统噪声，通过建立u1/u2与弱反射光纤光栅反射波长之间的关系获取被测温度的准确信息；如图2所示；
71.其中，u1＝f'(λ)
×
pi
×
δλ，u2＝pi
72.f(λ)为斜坡滤波器7输出功率随波长变化的函数，f'(λ)为斜率，pi为输入耦合器的功率，δλ为弱反射光纤光栅在温度变化下反射波长的变化量；
73.δλ＝1/f'(λ)
×
(u1/u2)
74.f'(λ)为已知量，通过测量u1/u2便可获得δλ，进而获得被测温度信息。
75.由于两路光在进入电耦合器之前经过了完全相同的光路，光源功率波动、环境噪声干扰等引起的光强变化对两路光信号完全同步。即u1、u1所携带的系统光路噪声是完全一致的。因此，可以以u2作为参考信号来实时矫正系统噪声，通过建立u1/u2与弱反射光纤光栅反射波长之间的关系来实时获取被测温度的准确信息。
76.以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。