CN103674087B - 光纤光栅传感器解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅传感器解调系统，包括N个光源组、第一光纤合波器、第一光纤分路器、第一光电探测器、第一信号放大器、数据采集卡、计算机、K个环行器/耦合器以及与每个环行器/耦合器对应的光电探测器和信号放大器：第N个光源组包括MN个光源，且MN＞1时，该光源组内的每个光源均通过第二光纤合波器连接至第一光纤合波器；在每个光源组与第一光纤合波器之间还设置有一个扫描滤波器；当K＞1时，还包括第二光纤分路器，每个环行器/耦合器均通过第二光纤分路器与第一光纤分路器相连。通过本发明，能够提高测量带宽、测量精度、以及可测量的光纤光栅传感器的数量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种光纤光栅传感器解调系统。
背景技术
油井井下测试是石油开采中一项重要技术。通过井下测试，可以掌握油气储层在采油过程中的动态变化信息，并对所测得的信息进行综合分析，可以得到油气水在油藏的分布状态，由此了解整个油区的开发动态，从而为调整、优化油田开发方案及提高原油采收率提供科学依据。
传统的电子类传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作，而光纤光栅传感器可以克服这些困难。光纤光栅传感器由于不含电子元件，温度适应性强，可用于高温油井；并且具有无源、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，适合于极恶劣环境；光纤传输的信息量大，一根光纤可同时串接十多级光纤光栅传感器，便于分层和全井筒测试，使用寿命长，可获得分层、连续、实时的井下数据。而且，光纤光栅传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小，在油田的开采中有着广泛的应用前景。
传感信号的解调技术是光纤光栅传感系统至关重要的组成部分，信号处理、信号解调的速度和性能最终决定了传感系统的总体性能。光纤光栅传感器信号解调的实质是对传感光栅的反射谱进行实时监测，通过反射谱的变化来分析被测量的变化情况。目前，国内外应用于光纤光栅传感器的解调方法有多种。然而，现有的光纤光栅传感器解调仪测量带宽不够大，一根光纤可以级联的光纤光栅传感器数量不多，不适合油井的多点准分布测量。另外，现有解调仪精度分辨率有限，这也限制了油井测量参数如温度压力等的精度分辨率，影响油井状况的精确分析。
因此，需要一种新的光纤光栅传感器解调系统，能够提高测量带宽、测量精度、以及可测量的光纤光栅传感器的数量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种新的光纤光栅传感器解调系统，能够提高测量带宽、测量精度、以及可测量的光纤光栅传感器的数量。
有鉴于此，本发明提供了一种光纤光栅传感器解调系统，包括N（N为大于1的自然数）个光源组、第一光纤合波器、第一光纤分路器、第一光电探测器、第一信号放大器、数据采集卡、计算机、K（K为非0自然数）个环行器/耦合器以及与每个所述环行器/耦合器对应的光电探测器和信号放大器，其中：
每个所述光源组均依次通过所述第一光纤合波器、所述第一光纤分路器、所述第一光电探测器、所述第一信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
第N个光源组包括MN（MN为非0自然数）个光源，且在第N个光源组内，当MN＞1时，该光源组还包括第二光纤合波器，该光源组内的每个光源均通过所述第二光纤合波器连接至所述第一光纤合波器；
在每个光源组与所述第一光纤合波器之间还设置有一个扫描滤波器，且当MN＞1时，该光源组的扫描滤波器设置在所述第二光纤合波器与所述第一光纤合波器之间，
或者，
在所述第一光纤合波器和所述第一光纤分路器之间设置有可调扫描滤波器；
每个所述环行器/耦合器均依次通过相应的光电探测器、相应的信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
当K＞1时，所述光纤光栅传感器解调系统还包括第二光纤分路器，每个所述环行器/耦合器均通过所述第二光纤分路器与所述第一光纤分路器相连。
在该技术方案中，可以选用多组不同波段的光源，从而增大了光纤光栅传感器解调系统的测量带宽；还可以在每组光源中布置多个光源，增大了光源的强度，从而提高了测量精度；还可以选用多个环行器/耦合器，从而提高了可测量的光纤光栅传感器数量。
优选地，在所述第一光纤分路器和所述第一光电探测器之间还设置有波长校准装置。
在该技术方案中，增设波长校准装置可以保证测量结果更加可靠。
附图说明
图1是本发明第一实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图2是本发明第二实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图3是本发明第三实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图4是本发明第四实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图5是本发明第五实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图6是本发明第六实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图7是本发明第七实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图；
图8是本发明第八实施例的光纤光栅传感器解调系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供的光纤光栅传感器解调系统，包括N（N为大于1的自然数）个光源组、第一光纤合波器、第一光纤分路器、第一光电探测器、第一信号放大器、数据采集卡、计算机、K（K为非0自然数）个环行器/耦合器以及与每个所述环行器/耦合器对应的光电探测器和信号放大器，其中：
每个所述光源组均依次通过所述第一光纤合波器、所述第一光纤分路器、所述第一光电探测器、所述第一信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
第N个光源组包括MN（MN为非0自然数）个光源，且在第N个光源组内，当MN＞1时，该光源组还包括第二光纤合波器，该光源组内的每个光源均通过所述第二光纤合波器连接至所述第一光纤合波器；
在每个光源组与所述第一光纤合波器之间还设置有一个扫描滤波器，且当MN＞1时，该光源组的扫描滤波器设置在所述第二光纤合波器与所述第一光纤合波器之间，
或者，
在所述第一光纤合波器和所述第一光纤分路器之间设置有可调扫描滤波器；
每个所述环行器/耦合器均依次通过相应的光电探测器、相应的信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
当K＞1时，所述光纤光栅传感器解调系统还包括第二光纤分路器，每个所述环行器/耦合器均通过所述第二光纤分路器与所述第一光纤分路器相连。
在该技术方案中，可以选用多组不同波段的光源，从而增大了光纤光栅传感器解调系统的测量带宽；还可以在每组光源中布置多个光源，增大了光源的强度，从而提高了测量精度；还可以选用多个环行器/耦合器，从而提高了可测量的光纤光栅传感器数量。
优选地，在所述第一光纤分路器和所述第一光电探测器之间还设置有波长校准装置。
在该技术方案中，增设波长校准装置可以保证测量结果更加可靠。
基于本发明的以上技术方案，可以通过以下实施例实现：
如图1所示，本发明第一实施例为选用单个1300nm宽带光源和单个1550nm宽带光源组成的宽谱光源的单测量通道光纤光栅传感器解调系统，它包括1300nm波段宽带光源1，与1300nm波段宽带光源1连接的1300nm波段扫描滤波器3，1550nm波段宽带光源2，与1550nm波段宽带光源2的1550nm波段扫描滤波器4，与1300nm波段扫描滤波器3和1550nm波段扫描滤波器4连接的光纤合波器5，与光纤合波器5连接的光纤分路器6，与光纤分路器6一端连接的波长较准模装置9，与波长较准模装置9连接的光电探测器10，与光电探测器10连接的电信号放大器12，与光纤分路器6另一端连接的光纤环行器/耦合器7，与光纤环行器/耦合器7一端连接的测试端口8，与光纤环行器/耦合器7另一端连接的光电探测器11，与光电探测器11连接的电信号放大器13，与电信号放大器12和电信号放大器13连接的数据采集卡14，与数据采集卡14连接的计算机15。
1300nm波段宽带光源1发出的光覆盖整个1300nm波段，1550nm波段宽带光源2发出的光覆盖整个1550nm波段。波长可调的1300nm波段扫描滤波器3和1550nm波段扫描滤波器4分别把1300nm波段宽带光源和1550nm宽带光源发出的宽带光滤成带宽很细的窄带光，控制滤波器可以使该窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，一个变化周期内窄带光的波长随时间从宽带光源的最小波长逐渐变到最大波长。1300nm波段的窄带光1550nm波段的窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部分经环行器/耦合器7后通过光纤光栅传感器测试端口8入射到光纤光栅传感器上，如果传感器中的光纤光栅工作波长与此窄带光重合，则光纤光栅将此窄带光反射。窄带光波长变化一个周期后，所有光纤光栅传感器的工作波长信号都被反射。反射的窄带光经环行器/耦合器7后进入光电探测器11，光电探测器11把光信号转换为电信号，随后的电放大器13把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。计算机15把数据采集卡14输入的数字信号处理成所需的光波长和测量参数。
如图2所示是本发明的光纤光栅传感器解调系统另第二实施例的示意图，系统为单个1300nm波段宽带光源和单个1550nm波段宽带光源组成的宽谱光源的双测量通道光纤光栅传感器解调系统。1300nm波段宽带光源1发出的光覆盖整个1300nm波段，1550nm波段宽带光源2发出的光覆盖整个1550nm波段。波长可调的1300nm波段扫描滤波器3和1550nm波段扫描滤波器4分别把1300nm波段宽带光源和1550nm宽带光源发出的宽带光滤成带宽很细的窄带光，控制扫描滤波器3可以使该窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，一个变化周期内窄带光的波长随时间从宽带光源的最小波长逐渐变到最大波长。1300nm波段的窄带光1550nm波段的窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。窄带光经光纤分路器6后，一部分进入波长较准模装置9，另一部份则进入另外一个光纤分路器16，光纤分路器16把光再分成两部分，一部分进入环行器/耦合器7和测试端口8，另一部分进入环行器/耦合器17和测试端口18。由测试端口18所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器19，光电探测器19把光信号转换为电信号，随后的电放大器20把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。这样就组成了双测量通道的光纤光栅传感器解调系统。
图3是本发明的光纤光栅传感器解调系统第三实施例的示意图，系统为2个1300nm波段宽带光源和2个1550nm波段宽带光源组成的宽谱光源的双测量通道光纤光栅传感器解调系统。如图3所示，两个1300nm波段宽带光源1和21发出的光同时进入光纤合波器23，从光纤合波器23输出的光的强度得到加强，然后再进入1300nm波段扫描滤波器3；两个1550nm波段宽带光源2和22发出的光同时进入光纤合波器24，从光纤合波器24输出的光的强度得到加强，然后再进入1550nm波段扫描滤波器4。波长可调的1300nm波段扫描滤波器3和1550nm波段扫描滤波器4分别把1300nm波段宽带光源和1550nm宽带光源发出的宽带光滤成带宽很细的窄带光，控制滤波器可以使该窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，一个变化周期内窄带光的波长随时间从宽带光源的最小波长逐渐变到最大波长。1300nm波段的窄带光1550nm波段的窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部分经环行器/耦合器7后通过光纤光栅传感器测试端口8入射到光纤光栅传感器上，如果传感器中的光纤光栅工作波长与此窄带光重合，则光纤光栅将此窄带光反射。窄带光波长变化一个周期后，所有光纤光栅传感器的工作波长信号都被反射。反射的窄带光经环行器/耦合器7后进入光电探测器11，光电探测器11把光信号转换为电信号，随后的电放大器13把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。计算机15把数据采集卡14输入的数字信号处理成所需的光波长和测量参数。这样整个解调系统的光源强度增加了，有助于系统分辨率等性能的提高。
图4是本发明的光纤光栅传感器解调系统第四实施例的示意图，系统为单个1300nm波段宽带光源，单个1550nm波段宽带光源和单个可调扫描滤波器组成的单测量通道光纤光栅传感器解调系统。如图4所示,1300nm波段宽带光源1和1550nm波段宽带光源2发出的光先进入合波器5后，再进入波长扫描范围覆盖1300nm波段和1550nm波段的可调光纤滤波器25，然后形成窄带光。窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部分经环行器/耦合器7后通过光纤光栅传感器测试端口8入射到光纤光栅传感器上，如果传感器中的光纤光栅工作波长与此窄带光重合，则光纤光栅将此窄带光反射。窄带光波长变化一个周期后，所有光纤光栅传感器的工作波长信号都被反射。反射的窄带光经环行器/耦合器7后进入光电探测器11，光电探测器11把光信号转换为电信号，随后的电放大器13把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。计算机15把数据采集卡17输入的数字信号处理成所需的光波长和测量参数。
图5是本发明的光纤光栅传感器解调系统第五实施例的示意图，系统为单个1300nm波段宽带光源，单个1550nm波段宽带光源和单个可调扫描滤波器组成的双通道测量通道光纤光栅传感器解调系统。如图5所示，1300nm波段宽带光源1和1550nm波段宽带光源2发出的光先进入合波器5后，再进入波长扫描范围覆盖1300nm波段和1550nm波段的可调光纤滤波器25，然后形成窄带光。窄带光经光纤分路器6后，一部分进入波长较准模装置9。另一部份则进入另外一个光纤分路器16，光纤分路器16把光再分成两部分，一部分进入环行器/耦合器7和测试端口8，另一部分进入环行器/耦合器17和测试端口18。由测试端口18所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器19，光电探测器19把光信号转换为电信号，随后的电放大器20把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。这样就组成了双测量通道的光纤光栅传感器解调系统。
图6是本发明的光纤光栅传感器解调系统第六实施例的示意图，系统为2个1300nm波段宽带光源，2个1550nm波段宽带光源和单个可调扫描滤波器组成的双测量通道光纤光栅传感器解调系统。如图6所示,两个1300nm波段宽带光源1和21发出的光同时进入光纤合波器23，从光纤合波器23输出的光的强度得到加强；两个1550nm波段宽带光源1和21发出的光同时进入光纤合波器24，从光纤合波器24输出的光的强度得到加强。加强后的1300nm波段宽带光和1550nm波段宽带光同时进入合波器5后，再进入波长扫描范围覆盖1300nm波段和1550nm波段的可调光纤滤波器25，然后形成窄带光。窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部分经环行器/耦合器7后通过光纤光栅传感器测试端口8入射到光纤光栅传感器上，如果传感器中的光纤光栅工作波长与此窄带光重合，则光纤光栅将此窄带光反射。窄带光波长变化一个周期后，所有光纤光栅传感器的工作波长信号都被反射。反射的窄带光经环行器/耦合器7后进入光电探测器11，光电探测器11把光信号转换为电信号，随后的电放大器13把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。计算机15把数据采集卡输入14的数字信号处理成所需的光波长和测量参数。
图7是本发明的光纤光栅传感器解调系统第八实施例的示意图，系统为2个或多个1300nm宽带光源，2个或多个1550nm宽带光源和2个其他波长宽带光源组成的宽谱光源光纤光栅解调系统。如图7所示,两个或多个1300nm波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器23，从光纤合波器23输出的光的强度得到加强，然后再进入1300nm波段扫描滤波器3；两个或多个1550nm波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器24，从光纤合波器24输出的光的强度得到加强，然后再进入1550nm波段扫描滤波器4；两个其它波段宽带光源26和27或多个其它波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器28，从光纤合波器28输出的光的强度得到加强，然后再进入相应波段扫描滤波器29。波长可调的1300nm波段扫描滤波器3、1550nm波段扫描滤波器4和其它波段扫描滤波器分别把1300nm波段宽带光源、1550nm宽带光源和其它波段光源发出的宽带光滤成带宽很细的窄带光，控制滤波器可以使该窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，一个变化周期内窄带光的波长随时间从宽带光源的最小波长逐渐变到最大波长。窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部份则进入另外一个光纤分路器30，光纤分路器30把光再分成多部分，一部分进入环行器/耦合器7和测试端口8，一部分进入环行器/耦合器17和测试端口18，一部分进入环行器/耦合器31和测试端口32。由测试端口18所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器19，光电探测器19把光信号转换为电信号，随后的电放大器20把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。由测试端口32所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器31，光电探测器33把光信号转换为电信号，随后的电放大器34把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。这样就组成了多光源、多测量通道的光纤光栅传感器解调系统。这样整个解调系统的光源强度增加了，有助于系统分辨率等性能的提高；光源的带宽也得到了进一步的增加，可以测量更多的光纤光栅传感器。
图8是本发明的光纤光栅传感器解调系统第八实施例的示意图，系统为2个或多个1300nm宽带光源，2个或多个1550nm宽带光源组成的宽谱光源光纤光栅解调系统，其中光纤滤波器位于合波器和耦合器之间。如图8所示，两个或多个1300nm波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器23，从光纤合波器23输出的光的强度得到加强；两个或多个1550nm波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器24，从光纤合波器24输出的光的强度得到加强；两个其它波段宽带光源26和27或多个其它波段宽带光源发出的光同时进入光纤合波器28，从光纤合波器28输出的光的强度得到加强。强度得到增加后的各波段光再同时进入合波器5，然后再进入可调扫描滤波器35。可调扫描滤波器35把光源发出的宽带光滤成带宽很细的窄带光，控制滤波器可以使该窄带光的波长在整个光源带宽内周期性变化，一个变化周期内窄带光的波长随时间从宽带光源的最小波长逐渐变到最大波长。窄带光通过光纤合波器5先后进入同一根光纤，然后经过光纤分路器6分成两部分。一部分进入波长较准模装置9，经光电探测器10转换为电信号，经电信号放大器12放大后由数据采集卡14输入计算机15。另一部份则进入另外一个光纤分路器30，光纤分路器30把光再分成多部分，一部分进入环行器/耦合器7和测试端口8，一部分进入环行器/耦合器17和测试端口18，一部分进入环行器/耦合器31和测试端口32。由测试端口18所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器19，光电探测器19把光信号转换为电信号，随后的电放大器20把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。由测试端口32所连接的光纤光栅传感器反射的光经环行器/耦合器17后进入光电探测器31，光电探测器33把光信号转换为电信号，随后的电放大器34把光电转换后的电信号放大，送到数据采集卡14转换为数字信号并输入计算机15。这样就组成了多光源、多测量通道的光纤光栅传感器解调系统。这样整个解调系统的光源强度增加了，有助于系统分辨率等性能的提高；光源的带宽也得到了进一步的增加，可以测量更多的光纤光栅传感器。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。
Claims (2)
1.一种光纤光栅传感器解调系统，其特征在于，包括N个光源组、第一光纤合波器、第一光纤分路器、第一光电探测器、第一信号放大器、数据采集卡、计算机、K个环行器/耦合器以及与每个所述环行器/耦合器对应的光电探测器和信号放大器，N为大于1的自然数,K为非0自然数,其中：
每个所述光源组均依次通过所述第一光纤合波器、所述第一光纤分路器、所述第一光电探测器、所述第一信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
第N个光源组包括MN个光源，且在第N个光源组内，当MN＞1时，该光源组还包括第二光纤合波器，该光源组内的每个光源均通过所述第二光纤合波器连接至所述第一光纤合波器，MN为非0自然数；
在每个光源组与所述第一光纤合波器之间还设置有一个扫描滤波器，且当MN＞1时，该光源组的扫描滤波器设置在所述第二光纤合波器与所述第一光纤合波器之间，
或者，
在所述第一光纤合波器和所述第一光纤分路器之间设置有可调扫描滤波器；
每个所述环行器/耦合器均依次通过相应的光电探测器、相应的信号放大器、所述数据采集卡连接至所述计算机；
当K＞1时，所述光纤光栅传感器解调系统还包括第二光纤分路器，每个所述环行器/耦合器均通过所述第二光纤分路器与所述第一光纤分路器相连。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器解调系统，其特征在于，在所述第一光纤分路器和所述第一光电探测器之间还设置有波长校准装置。
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