[发明专利]一种温度自补偿及定位方法

摘要

本发明一种温度自补偿及定位方法，采用带有温度自补偿的井下扰动信号监测与定位装置进行温度自补偿及定位。步骤一、解调出光路一的温度分布参数；步骤二、将光纤拉曼解调仪的空间分别率分辨率调节到与光路三和光路四的干涉光的空间分辨率相同，保证温度测量点能够跟踪扰动测量点；步骤三、根据光路三和光路四得到的两路干涉光强的时域信号，解调出两束相干光的相位差，并根据步骤一对温度引起的相位差的影响进行补偿，得出井下干扰信号所形成的相位差；步骤四、对光纤上的N个监测点进行分布式温度自补偿；步骤五、对井下干扰源产生的相位差做傅里叶变换，得出相位差的频谱数据；步骤六、简化公式五获得扰动作用点经温度补偿后的位置。

主权项

1.一种温度自补偿及定位方法，该温度自补偿及定位方法采用带有温度自补偿的井下扰动信号监测与定位装置进行温度自补偿及定位，该带有温度自补偿的井下扰动信号监测与定位装置包括上位机(1)、光纤拉曼解调仪(2)、光纤分路器(3)、环行器(4)、工控机(5)、延时传输光纤(6)、井下传感光纤(7)、法拉第反射镜(8)和耦合器(9)，所述工控机(5)内部嵌有光源和多个光探测器；所述光纤拉曼解调仪(2)的输入端与光纤分路器(3)的一个输出端通过传感光纤相连，所述光纤拉曼解调仪(2)的输出端与上位机(1)的输入端相连；所述光纤分路器(3)的输入端连接着工控机(5)上的光源输出端，所述光纤分路器(3)的另一个输出端与环行器(4)的一端通过传感光纤相连，所述环行器(4)的另一端与工控机(5)上的光探测器通过传感光纤相连；所述环行器(4)的另一端与耦合器(9)的输入端通过传感光纤相连，所述耦合器(9)的耦合端连接有井下传感光纤(7)，所述耦合器(9)的直通端与工控机(5)上的光探测器通过传感光纤相连；所述耦合器(9)上设有延时传输光纤(6)，所述井下传感光纤(7)的另一端连接有法拉第反射镜(8)；井下传感光纤(7)为包括石英光纤(7‑1)、胶层(7‑2)、PE护套(7‑3)、FRP加强筋(7‑4)、光纤保护层(7‑5)和光纤涂敷层(7‑6)，所述光纤涂敷层(7‑6)涂在石英光纤(7‑1)的外表面，所述光纤涂敷层(7‑6)外侧设有光纤保护层(7‑5)，所述光纤保护层(7‑5)的外侧设有胶层(7‑2)，所述PE护套(7‑3)包裹在最外侧，所述PE护套(7‑3)和胶层(7‑2)之间设有多个FRP加强筋(7‑4)；该装置中共形成四路光路，光路一：工控机(5)的光源射出的光经光纤分路器(3)传输给环行器(4)的一个端口,从环行器(4)的另一个端口传输给耦合器(9),经耦合器(9)进入传感光纤到达法拉第反射镜(8),光信号经法拉第反射镜(8)反射回井下传感光纤(7)并经耦合器(9)把光信号传输回环行器(4)的一个端口,从环行器(4)的另一个端口传输给拉曼解调仪(2)，拉曼解调仪(2)把解调调出的信息传给上位机(1)；光路二:工控机(5)的光源射出的光经光纤分路器(3)传输给环行器(4)的一个端口,从环行器(4)的另一个端口传输给耦合器(9),经耦合器(9)进入传感光纤到达法拉第反射镜(8),光信号经法拉第反射镜(8)反射回井下传感光纤(7)并经耦合器(9)把光信号传输回工控机(5)内的光探测器；光路三：工控机(5)的光源射出的光经光纤分路器(3)传输给环行器(4)的一个端口,从环行器(4)的另一个端口传输给耦合器(9),经耦合器(9)进入传感光纤到达法拉第反射镜(8),光信号经法拉第反射镜(8)反射回井下传感光纤(7)并经耦合器(9)由上向下通过延时传输光纤(6)后传输到工控机(5)内的光探测器；光路四：工控机(5)的光源射出的光经光纤分路器(3)传输给环行器(4)的一个端口,从环行器(4)的另一个端口传输给耦合器(9)，由下向上经延时传输光纤(6)再次传输给耦合器(9)，经耦合器(9)进入井下传感光纤(7)到达法拉第反射镜(8),光信号经法拉第反射镜(8)反射回井下传感光纤(7)并经耦合器(9)传回工控机(5)内的光探测器，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、解调出光路一的温度分布参数；公式一T＝‑hcΔγ/k{ln[Pa(T)/Ps(T)]‑ln(λs/λa)}＝f[R(T)]式中λs，λa分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的波长，h为普朗克常数，c为真空中光速，Δγ为偏移波数，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，f[R(T)]为R(T)的函数，Pa(T)和Ps(T)斯托克斯光与反斯托克斯光的强度；步骤二、将光纤拉曼解调仪(2)的空间分别率分辨率调节到与光路三和光路四的干涉光的空间分辨率相同，保证温度测量点能够跟踪扰动测量点；步骤三、根据光路三和光路四得到的两路干涉光强的时域信号，解调出两束相干光的相位差，并根据步骤一对温度引起的相位差的影响进行补偿，得出井下干扰信号所形成的相位差Δφ，公式二式中为光纤的综合轴向应变，L为光传播的光纤长度，ΔL为光纤轴向变形量，μ为光纤泊松比，n为光纤纤芯的有效折射率，K_T光纤应变温度灵敏度系数，K_z光纤外界作用力应变灵敏度系数，p₁、p₂为光纤光弹系数，β为光波传播常数，f[R(T)]为R(T)的函数；步骤四、对光纤上的N个监测点进行分布式温度自补偿；公式三式中为光纤的综合轴向应变，L为光传播的光纤长度，ΔL为光纤轴向变形量，μ为光纤泊松比，n为光纤纤芯的有效折射率，K_T光纤应变温度灵敏度系数，K_z光纤外界作用力应变灵敏度系数，p₁、p₂为光纤光弹系数，β为光波传播常数，f[R(T)]为R(T)的函数；步骤五、对井下干扰源产生的相位差Δφ做傅里叶变换，得出相位差的频谱数据，并利用步骤一测得的温度信息再次进行定位温度补偿，将温度对光纤的作用代入公式四得公式五式中t0为光信号出射到返回的时间差，L为光传播的光纤长度，n为光纤纤芯的有效折射率，C为真空中的光速，Lj为某一监测小段光纤长度，Tj为某一监测小段光纤温度，εT为光纤的热膨胀系数，f(R(Tj)为该光纤段利用拉曼原理测得的温度，LT为受到铺设环境温度场和扰动同时作用光纤的长度位置；步骤六、简化公式五获得扰动作用点经温度补偿后的位置L0；公式六式中L0为扰动作用点经温度补偿后的位置，LT为受到铺设环境温度场和扰动同时作用光纤的长度位置，Lj为某一监测小段光纤长度，Tj为某一监测小段光纤温度，εT为光纤的热膨胀系数，f(R(Tj)为该光纤段利用拉曼原理测得的温度。