CN113310564A - 一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统及方法，包括：获取每个位置处的弱光栅的光谱漂移量和相邻光栅之间反射光的相位差值；使用可调谐脉冲激光器和波长扫描法，解调出每个位置处的弱光栅的当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；使用窄线宽脉冲激光器结合3×3相位解调算法解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到振动参量。本发明利用通过解调窄线宽脉冲激光器反射回来的光所携带的相位变化信息来解调振动参数，通过解调可调谐脉冲激光器反射光所携带的下边缘光谱信息来解调温度参数，在同一套系统中同时测量振动和温度两个参量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅分布式传感技术领域，尤其涉及一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统及方法。
背景技术
在石油勘探领域中，套管作为石油专用管材之一，在钻井过程完成后一次性被下入井眼内。其作用是在钻井，完井，开采过程中加固井壁，保护井眼；也能够封闭和固定各地层，防止井中的油层，气层，水层彼此间的互相窜流。更加重要的是在油田生产的过程中，通过监测套管表面的温度信号和振动信号的变化，可以反映出此时输油管道中的油，水，气三项流中各项流的状态，从而得到油井中油，水，气三项流的含量，更好指导我们对油气进行开采，节约成本，提升开采效率。
传统的有源电子振动传感器，温度传感器，大多只能测量单一物理量，且其在油井中容易受到腐蚀，难以正常工作，也难以实现大规模大批量的组网复用。近年来，光纤光栅传感器得到了广泛的研究与应用，其是一种无源器件，耐腐蚀，可以在极度恶劣的环境下长期工作。但是目前的光纤传感器存在反射信号弱，系统信噪比低，测量精度不高，动态范围小的问题，而目前光纤光栅传感器大多都只能进行单一参量的测量，不能解决对油井套管表面温度变化信息和振动变化信息的同时在线精准测量。综上，如何同时测量套管的温度变化和振动变化是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，用以解决如何同时测量套管的温度变化和振动变化是亟待解决的问题。
本发明提供一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，包括：信号发生装置、反射光发生装置、温度参量解调装置、振动参量解调装置、数据采集装置，其中：
所述信号发生装置，包括固定波长脉冲激光光源、可调谐脉冲激光光源，其中，所述固定波长激光光源用于产生固定中心波长的第一激光信号，所述可调谐激光光源用于产生中心波长在预设扫描范围内扫频的第二激光信号；
所述反射光发生装置，用于处理所述第一激光信号和所述第二激光信号，产生的复合探测信号注入光栅，生成对应的反射光；
所述温度参量解调装置，使用可调谐脉冲激光器和波长扫描法，得到不同中心波长入射光打到相应位置处的反射光经过光电探测产生的一系列电压强度信号；
所述振动参量解调装置，用于将相邻的光栅之间的反射光进行干涉并注入3×3耦合器中，产生相位相差120°的三路干涉信号；
所述数据采集装置，用于根据所述电压强度信号拼接转换为光栅当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于所述漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；还用于使用3×3解调算法，得到相邻光栅反射光的相位差值信号，解调出当前时刻的振动参量。
进一步地，所述反射光发生装置包括第一耦合器、信号放大器、环形器，其中，所述第一耦合器分别与所述固定波长激光光源、所述可调谐激光光源连接，用于进行光电转换；所述信号放大器与所述第一耦合器连接，用于进行信号放大；所述环形器的第一端口与所述信号放大器连接，第二端口与光栅连接，第三端口分别与所述温度参量解调装置、所述振动参量解调装置连接。
进一步地，所述温度参量解调装置包括第二耦合器和第一光电探测器，其中，所述第二耦合器与所述环形器连接，所述第一光电器分别与所述第二耦合器、所述数据采集装置连接。
进一步地，所述振动参量解调装置包括所述第二耦合器、光滤波器、干涉仪、3×3耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器，其中，所述光滤波器、所述第二耦合器、所述干涉仪和所述3×3耦合器依次连接，所述3×3耦合器分别与所述第二光电探测器、所述第三光电探测器、所述第四光电探测器连接，所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述第四光电探测器分别连接至所述数据采集装置。
本发明还提供一种油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，基于如上所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，所述油井套管的振动参量和温度参量的测量方法包括：
获取不同反射光经过光电探测器后产生的电压强度信号和经过3×3耦合器后产生的三路相位差为120°的干涉信号；
根据不同的所述电压强度信号，转换为光栅当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于所述漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；
根据所述三路信号结合3×3解调算法，解调出当前时刻的振动参量。
进一步地，所述根据不同的所述电压强度信号，转换为光栅当前时刻的边缘光谱图包括：将不同的所述电压强度信号的反射强度值拼接在一起，还原出各个光栅下边缘处的所述边缘光谱图。
进一步地，所述与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量包括：
根据同样的预设范围，分别在所述光栅在预设温度的下边缘光谱图、所述光栅当前时刻的边缘光谱图取m个点，确定对应的第一部分光谱图，其中，m为正整数；
将所述第一部分光谱图和所述光栅当前时刻的边缘光谱图进行差分运算，得到对应的差分值；
确定当所述差分值为零时对应的m值，将m转换为对应的所述漂移量。
进一步地，所述将m转换为对应的所述漂移量包括：
根据可调谐激光光源的预设扫描范围内的采样间隔；
根据所述采样间隔和m的乘积，确定对应的所述漂移量。
进一步地，所述差分值通过如下公式表示：
其中，E(m)表示所述差分值，t(n)表示所述第一部分光谱图，g(m+n)表示所述光栅当前时刻的边缘光谱图进行平移m个点后的光谱图，n表示任意点。
进一步地，所述基于所述漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量包括：将所述漂移量与光栅的温度漂移系数相乘，确定所述温度参量。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，对电压强度信号和三路信号进行有效的获取，通过窄线宽脉冲光光源和在扫频范围的可调谐激光光源，在波长上实现复用，互不干扰，两个激光器发射的光通过耦合器结合在一起，形成新的探测光，将探测光注入光栅，形成不同的反射光，对不同的反射光进行不同的解调，形成反映温度变化的电压强度信号和反映振动变化的三路信号；然后，通过解调可调谐脉冲激光器的反射回来的光，得到当前位置光栅的下半部分的光谱漂移信息，得到当前温度参量；最后，通过解调窄线宽脉冲激光器反射回来的光所携带的相位变化信息，来解调相位差，得到当前振动参量。综上，本发明使用波分复用的方式同时探测振动信号和温度信号，利用通过解调窄线宽脉冲激光器反射回来的光所携带的相位变化信息来解调振动参数，通过解调可调谐脉冲激光器反射回来的光所携带的下边缘光谱信息的变化来解调温度参数，在光的波长上进行复用，实现在同一套系统中同时测量振动和温度两个参量。
附图说明
图1为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统的结构示意图一；
图2为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统的结构示意图二；
图3为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法的流程示意图；
图4为本发明提供的窄带光栅光谱图；
图5为本发明提供的实验室条件下不同温度信号测得的宽带光栅下边缘光谱图；
图6为本发明提供的啁啾光栅不同温度场下的光谱示意图；
图7为本发明提供的干涉脉冲信号的信号示意图；
图8为本发明提供的3×3耦合器解调算法原理图；
图9为本发明提供的振动信号测量结果时域图；
图10为本发明提供的振动信号测量结果频域图；
图11为本发明提供的步骤S2的流程示意图；
图12为本发明提供的部分光谱匹配算法结果图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，结合图1来看，图1为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统的结构示意图一，上述油井套管的振动参量和温度参量的测量系统包括：信号发生装置1、反射光发生装置2、温度参量解调装置3、振动参量解调装置4、数据采集装置5，其中：
信号发生装置1，包括固定波长激光光源101、可调谐激光光源102，其中，固定波长激光光源用于产生固定中心波长的第一激光信号，可调谐激光光源用于产生中心波长在预设扫描范围内扫频的第二激光信号；其中，第一激光信号使用了中心波长为1550nm的窄带脉冲激光光源(固定波长激光光源101的优选光源)，第二激光信号使用了在1547-1549nm之间扫频的可调谐激光光源，两者在波长上互不干扰；
反射光发生装置2，用于处理第一激光信号和第二激光信号，产生多种探测信号注入光栅，生成对应的反射光；其中，多种探测信号注入光栅6，以产生不同的反射光，当温度变化时，反射光生成的光谱会产生漂移；
温度参量解调装置3，用于根据不同的反射光，产生光栅当前时刻不同的电压强度信号；其中，在反射光进入解调部分之前，对其进行光电转换，生成对应的电压强度信号；
振动参量解调装置4，用于针对相邻光栅的反射光进行信号干涉，并通过3×3耦合器产生相位相差120°的三路干涉信号；其中，采集卡采集输出的三路信号，通过3×3算法解调出相邻两个光栅之间的相位差值，从而解调出此时的振动信号；
数据采集装置5，用于根据电压强度信号转换为光栅当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；还用于根据三路信号之间的相位差值，解调出当前时刻的振动参量。
在本发明实施例中，通过设置信号发生装置，产生第一激光信号和第二激光信号，以便后续利用第一激光信号的相位信息确定振动参量，利用第二激光信号的变化确定温度参量；通过设置反射光发生装置，生成光栅在不同的激光信号下产生的反射光；通过设置温度参量解调装置，对不同的反射光进行解调，根据其中的偏移信息，确定对应的温度参量；通过设置振动参量解调装置，结合3×3相位解调算法，解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到当前时刻的振动参量；通过设置数据采集装置，对电压强度信号和三路信号进行相应的信号处理，确定对应的温度变化和振动变化。
需要说明的是，由于宽带光栅3dB带宽的特点，将宽带光栅分为下半部分和上半部分，任何一个部分都可以完整的反映当前传感器收到振动信号和温度信号的影响。要使得两个部分可以互不干扰的同时测量，解调下半部分光谱漂移信息，得到当前温度信息；解调上半部分反射光的干涉之后的相位信息，得到当前振动信号。
优选地，结合图2来看，图2为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统的结构示意图二，反射光发生装置2包括第一耦合器201、信号放大器202、环形器203，其中，第一耦合器分别与固定波长激光光源101、可调谐激光光源102连接，用于进行光电转换；信号放大器与第一耦合器连接，用于进行信号放大；环形器的第一端口与信号放大器连接，第二端口与光栅连接，第三端口分别与温度参量解调装置、振动参量解调装置连接。作为具体实施例，本发明实施例设置反射光发生装置探测光注入光纤之后，经过环形器输出不同的反射光。
优选地，结合图2来看，温度参量解调装置3包括第二耦合器301和第一光电探测器302，其中，第二耦合器301与环形器203连接，第一光电器302分别与第二耦合器301、数据采集装置5连接。作为具体实施例，本发明实施例利用光栅受温度影响会发生光谱漂移的特性，设置对应的滤波器，从而使得温度信号和振动信号之间不会相互干扰。
优选地，结合图2来看，振动参量解调装置4包括第二耦合器301、光滤波器401、干涉仪402、3×3耦合器403、第二光电探测器404、第三光电探测器405和第四光电探测器406，其中，光滤波器401、第二耦合器301、干涉仪402和3×3耦合器403依次连接，3×3耦合器403分别与第二光电探测器404、第三光电探测器405、第四光电探测器406连接，第二光电探测器404、第三光电探测器405和第四光电探测器406分别连接至数据采集装置5。作为具体实施例，本发明实施例探测光注入光纤之后，经过环形器进入光滤波器，只允许1550nm的光通过，然后进入非平衡马赫曾德干涉仪产生干涉信号，干涉信号送入3×3耦合器，采集卡采集输出的三路信号，通过3×3算法解调出相邻两个光栅之间的相位差值，从而解调出此时的振动信号。
实施例2
本发明实施例提供了一种油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，结合图3来看，图3为本发明提供的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法的流程示意图，基于上述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，包括步骤S1至步骤S3，其中：
在步骤S1中，获取每个位置处的弱光栅的光谱漂移量和相邻光栅之间反射光的相位差值；
在步骤S2中，使用可调谐脉冲激光器和波长扫描法，解调出每个位置处的弱光栅的当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；
在步骤S3中，结合3×3相位解调算法，解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到当前时刻的振动参量。
在本发明一个具体的实施例中，数据采集装置的数据处理流程如下：
获取不同反射光通过光电探测器产生的电压强度信号和三路信号，其中，上述两个激光器发射的光通过耦合器结合在一起，形成新的探测光，将探测光注入光栅，形成不同的反射光，对不同的反射光进行不同的解调，形成反映温度变化的电压强度信号和反映振动变化的三路信号；
根据不同的电压强度信号，转换为光栅当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量，其中，利用光栅在不同温度下波长会发生变化的原理，利用边缘的漂移量有效测定温度参量；
根据三路信号解调出干涉信号之间的相位差值，解调出当前时刻的振动参量。需要说明的是，两束相干光有相位差，所以会产生干涉，将干涉光通过3×3耦合器，产生三路相位差为120°的三路干涉光，然后通过采用3×3算法，可以算出初始两束相干光的相位差，这个相位差正比于振动信号，以此解调出振动参量。
在本发明实施例中，首先，对电压强度信号和三路信号进行有效的获取，通过窄线宽脉冲光光源和在扫频范围的可调谐激光光源，在波长上实现复用，互不干扰，两个激光器发射的光通过耦合器结合在一起，形成新的探测光，将探测光注入光栅，形成不同的反射光，对不同的反射光进行不同的解调，形成反映温度变化的电压强度信号和反映振动变化的三路信号；然后，通过解调可调谐脉冲激光器的反射回来的光，解调电压强度信号的下半部分的光谱漂移信息，得到当前温度参量；最后，结合3×3相位解调算法，解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到当前时刻的振动参量。
需要说明的是，结合图4、图5来看，图4为本发明提供的窄带光栅光谱图，图5为本发明提供的实验室条件下不同温度信号测得的宽带光栅下边缘光谱图，从中可知，窄带脉冲激光光源的中心波长优选为1550nm，可调谐激光光源在1547-1549nm之间扫频，二者在波长上实现复用，互不干扰，且光纤光栅的温度特性具体表现为布拉格波长的漂移量随温度呈线性变化。
优选地，上述根据不同的电压强度信号，转换为光栅当前时刻的边缘光谱图包括：将不同的电压强度信号的反射强度值拼接在一起，还原出各个光栅下边缘处的边缘光谱图。作为具体实施例，本发明实施例通过扫频激光器，还原宽带光栅在受温度影响时，光栅光谱下边缘的漂移量，来测量此时光栅处的温度信息。
需要说明的是，结合图6来看，图6为本发明提供的啁啾光栅不同温度场下的光谱示意图，啁啾光栅作为光纤光栅的一种，同样具有温度敏感性。光纤光栅的温度特性具体表现为布拉格波长的漂移量随温度呈线性变化，可描述为：
ΔλB＝(α+ζ)λBΔT＝αTλBΔT
式中，α和ζ分别表示光纤的膨胀系数和热光系数。对于石英熔融光纤：
α＝0.55×10-6/℃
ζ＝6.17×10-6/℃
即外界温度发生改变时，其温度系数为：
α+ζ＝6.72×10-6/℃
故对于波长范围在1548-1551nm的啁啾光栅而言，当温度变化1℃时，其最大波长的漂移量为：
Δλmax＝(α+ζ)λmaxΔT＝6.72×10-6×1551×1＝10.42pm/℃
其最小波长的漂移量为：
Δλmin＝(α+ζ)λminΔT＝6.72×10-6×1548×1＝10.40pm/℃
而由于温度改变而引起的啁啾光栅带宽展宽，即最大波长和最小波长的相对漂移量仅为：
Δλmax-Δλmin＝0.02pm/℃
所以当温度场发生改变的时候，可以认为啁啾光栅的光谱基本没有发生变化，仅仅只产生了啁啾光栅光谱的整体漂移。故使用啁啾光栅做温度解调时，只需要测得啁啾光栅在不同温度场中的光谱漂移量，即可以得到当前温度场的温度信息。
优选地，步骤S3具体包括：根据通过3×3耦合器后产生的三路相位差为120°的干涉信号，通过3×3算法解调出当前时刻的振动参量。作为具体实施例，本发明实施例利用相位差进行振动参量的有效求解。
需要说明的是，结合图7来看，图7为本发明提供的干涉脉冲信号的信号示意图，上述系统采用的弱光纤光栅振动传感机理是依据MZI干涉振动传感系统的原理；脉冲光射入到具有M个弱光栅的光栅阵列中，会被弱光栅阵列反射回M个脉冲光，反射回的一系列脉冲光经过MZI干涉仪，被干涉仪的长臂和短臂分别再次反射，然后进入到耦合器中产生干涉。以光栅阵列中的第i个光栅和第i+1光栅为例，假设两个光栅间距为5m、MZI干涉仪长短臂的长度差也为5m，那么被第i个光栅反射的脉冲光在经过短臂反射后到达耦合器所走的光程与被第i+1个光栅反射的脉冲光在经过长臂反射后到达耦合器所走的光程相等，这时就会在耦合器中产生干涉。依次，经过光栅阵列之后，会产生如图5中的M-1个干涉脉冲信号以及首尾两个反射脉冲信号。
其中，产生的干涉信号称之为调制信号，因为干涉信号中包含了该系统要传感的振动信号。以第i个光栅和第i+1个光栅产生的干涉信号为例，假设第i个光栅的反射光进入短臂后的光强为I1，第i+1个光栅的反射光进入长臂后的光强为I2；那么依据干涉原理，两个反射光信号在耦合器中发生干涉的光强I为：
当第i个光栅和第i+1个光栅之间的光纤未受到外界干扰时，干涉仪两臂之间的相位差为初始相位
(定值)；当有外界干扰时，干涉仪两臂的相位差将会产生变化，变化值为
根据上式，干涉信号的光强变化只与
有关。因而需要解调出相位差，相位使用3×3算法解调。
3×3耦合器解调算法基于3×3耦合器完成的，将产生的干涉信号接入到3×3耦合器中，将会从耦合器的三个端口分别输出相位相差120°的干涉信号，输出干涉信号的光强可以分别表示为I1、I2、I3。
式中，ΔD为平均光强值，IP为干涉信号的峰值大小，
为施加振动信号所引起的相位变化
和外界环境干扰引起的相位变化
的和。结合图8来看，图8为本发明提供的3×3耦合器解调算法原理图，将上述三路干涉信号输入到如图中的解调算法中进行解调。
其中，为便于推论分析，令算法中涉及到的比例参数为1。首先将I1、I2、I3进行求和运算，然后除以-3可得：
再将上述结果分别与I1、I2、I3进行相加：
分别将a1、a2、a3对t取微分可得：
将a1·(d2-d3)、a2·(d3-d1)、a3·(d1-d2)进行加法运算可得：
为了尽量减小实际应用中因光源不稳定造成干涉峰值点IP的抖动，对a1、a2、a3取平方和可得：
最后，对N1/N2取积分即可得出相位关系式：
上式中，包括了由外界环境干扰引起的相位变化
该信号一般为直流噪声，因而，为了提取待测信号的相位
只需要在后续加上高通滤波器即可。其中，结合图9、图10来看，图9为本发明提供的振动信号测量结果时域图，图10为本发明提供的振动信号测量结果频域图。
优选地，结合图11来看，图11为本发明提供的步骤S2的流程示意图，包括步骤S21至步骤S23，其中：
在步骤S21中，根据同样的预设范围，分别在光栅在预设温度的下边缘光谱图、光栅当前时刻的边缘光谱图取m个点，确定对应的第一部分光谱图，其中，m为正整数；
在步骤S22中，将第一部分光谱图和光栅当前时刻的边缘光谱图进行差分运算，得到对应的差分值；
在步骤S23中，确定当差分值为零时对应的m值，将m转换为对应的漂移量。
作为具体实施例，本发明实施例利用差分运算实现对漂移量的有效捕捉，当匹配时，说明此时平移的m值即为对应的漂移量。
优选地，将m转换为对应的漂移量包括：
根据可调谐激光光源的预设扫描范围内的采样间隔；
根据采样间隔和m的乘积，确定对应的漂移量。
作为具体实施例，本发明实施例有效地将m转化为对应的波长值，实现漂移量的求解。
优选地，差分值通过如下公式表示：
其中，E(m)表示差分值，t(n)表示第一部分光谱图，g(m+n)表示光栅当前时刻的边缘光谱图进行平移m个点后的光谱图，n表示任意点。
作为具体实施例，本发明实施例利用差分公式，对E(m)进行有效的求解，以便求出当E(m)为零时的m值。
优选地，上述步骤S2中基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量包括：
将漂移量与光栅的温度漂移系数相乘，确定温度参量。
作为具体实施例，本发明实施例利用漂移量与温度变化成比例变化的关系，通过漂移量与光栅的温度漂移系数相乘，即可有效确定温度参量。
在本发明一个具体的实施例中，上述系统使用了可调谐脉冲激光光源，1X2光耦合器，EDFA掺铒光纤放大器，光环形器，宽带弱光栅阵列，光电探测器，数据采集装置。通过扫频激光器，还原宽带光栅在受温度影响时，光栅光谱下边缘的漂移量，来测量此时光栅处的温度信息，对应的具体温度解调方案如下：
第一步，扫频激光器发射1547-1549nm之间的扫频光；
第二步，扫频光发射的每个波长的光到达弱光栅阵列之后每个弱光栅会有一个反射光返回，各个反射光到达时间不同以确定位置信息；
第三步，触发采集卡对每个波长的反射光进行采集，转换为电压强度值；
第四步，将多个波长的反射强度值拼接在一起还原出各个光栅下边缘处的光谱图。
第五步，将光谱与常温时的光谱使用部分光谱匹配算法，计算出光谱下边缘漂移量，乘以光栅的温度漂移系数，从而测得温度变化信息。
接上述方案，结合图12来看，图12为本发明提供的部分光谱匹配算法结果图，部分光谱匹配算法具体实施方案如下：
第一步，在常温下测得某个光栅的下边缘光谱图作为基准，记为为f(n)；
第二步，取f(n)中间部分连续的m个点作为部分光谱，记为t(n)，并把此时起点作为参考点；
第三步，环境温度改变时，再次测得该光栅的下边缘光谱图g(n)，将步骤二中取得的部分光谱与此时的光谱做m个点的差分运算(公式同上)，当E(m)的值为0的时候，即说明此时部分光谱图完全匹配，而此时m的值即为温度改变时，光栅下边缘光谱的漂移大小；
第四步，将m换算成对应的波长值，即可以得到此时光谱的漂移量。
本发明公开了一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统及方法，在系统中，通过设置信号发生装置，产生第一激光信号和第二激光信号，以便后续利用第一激光信号的相位信息确定振动参量，利用第二激光信号的变化确定温度参量；通过设置反射光发生装置，生成光栅在不同的激光信号下产生的反射光；通过设置温度参量解调装置，对不同的反射光进行解调，根据其中的偏移信息，确定对应的温度参量；通过设置振动参量解调装置，对不同的反射光进行解调，根据相位信息，确定对应的振动参量；通过设置数据采集装置，对电压强度信号和三路信号进行相应的信号处理，确定对应的温度变化和振动变化；在方法中，首先，对电压强度信号和三路信号进行有效的获取，通过窄线宽脉冲光光源和在扫频范围的可调谐激光光源，在波长上实现复用，互不干扰，两个激光器发射的光通过耦合器结合在一起，形成新的探测光，将探测光注入光栅，形成不同的反射光，对不同的反射光进行不同的解调，形成反映温度变化的电压强度信号和反映振动变化的三路信号；然后，通过解调可调谐脉冲激光器的反射回来的光，解调电压强度信号的下半部分的光谱漂移信息，得到当前温度参量；最后，结合3×3相位解调算法，解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到当前时刻的振动参量。
本发明技术方案，利用通过解调窄线宽脉冲激光器反射回来的光所携带的相位变化信息来解调振动参数，通过解调可调谐脉冲激光器反射回来的光所携带的下边缘光谱信息的变化来解调温度参数，在光的波长上进行复用，实现在同一套系统中同时测量振动和温度两个参量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，其特征在于，包括：信号发生装置、反射光发生装置、温度参量解调装置、振动参量解调装置、数据采集装置，其中：
所述信号发生装置，包括固定波长激光光源、可调谐激光光源，其中，所述固定波长激光光源用于产生固定中心波长的第一激光信号，所述可调谐激光光源用于产生中心波长在预设扫描范围内扫频的第二激光信号；
所述反射光发生装置，用于对所述第一激光信号和所述第二激光信号进行信号耦合，产生两种探测信号注入光栅，生成对应的反射光；
所述温度参量解调装置，用于解调不同的中心波长的入射光，到达每个位置处光栅产生的反射光经过光电探测器之后得到的电压强度信号；
所述振动参量解调装置，用于将相邻光栅之间的反射光进行干涉，并通过一个3×3耦合器产生三路相位差为120°的干涉信号；
所述数据采集装置，用于根据所述电压强度信号进行拼接得到对应位置处光栅的当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于所述漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；还用于使用3×3算法解调根据所述三路相位差为120°的干涉信号之间的相位差值，解调出当前时刻的振动参量。
2.根据权利要求1所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，其特征在于，所述探测光发生装置包括第一耦合器、信号放大器、环形器，其中，所述第一耦合器分别与所述固定波长脉冲激光光源、所述可调谐脉冲激光光源相连接，用于产生复合探测脉冲光；所述信号放大器与所述第一耦合器连接，用于进行信号放大；所述环形器的第一端口与所述信号放大器连接，第二端口与光栅阵列相连接，第三端口分别与所述温度参量解调装置、所述振动参量解调装置连接。
3.根据权利要求2所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，其特征在于，所述温度参量解调装置包括第二耦合器和第一光电探测器，其中，所述第二耦合器与所述环形器连接，所述第一光电探测器分别与所述第二耦合器、所述数据采集装置连接。
4.根据权利要求3所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，其特征在于，所述振动参量解调装置包括所述第二耦合器、光滤波器、干涉仪、3×3耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器，其中，所述光滤波器、所述第二耦合器、所述干涉仪和所述3×3耦合器依次连接，所述3×3耦合器分别与所述第二光电探测器、所述第三光电探测器、所述第四光电探测器连接，所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述第四光电探测器分别连接至所述数据采集装置。
5.一种油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，基于根据权利要求1至4任一项所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量系统，所述油井套管的振动参量和温度参量的测量方法包括：
获取每个位置处的弱光栅的光谱漂移量和相邻光栅之间反射光的相位差值；
使用可调谐脉冲激光器和波长扫描法，解调出每个位置处的弱光栅的当前时刻的边缘光谱图，并与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量，并基于漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量；
结合3×3相位解调算法，解调出相邻光栅间反射光的相位差信息，得到当前时刻的振动参量。
6.根据权利要求5所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，所述根据不同中心波长的入射光产生的反射光经过光电探测器之后产生的所述电压强度信号，转换为光栅当前时刻的边缘光谱图包括：将不同的所述电压强度信号的反射强度值拼接在一起，还原出各个光栅下边缘处的所述边缘光谱图。
7.根据权利要求5所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，所述与光栅在预设温度的下边缘光谱图进行对比，确定下边缘的漂移量包括：
根据同样的预设范围，分别在所述光栅在预设温度的下边缘光谱图、所述光栅当前时刻的边缘光谱图取m个点，确定对应的第一部分光谱图，其中，m为正整数；
将所述第一部分光谱图和所述光栅当前时刻的边缘光谱图进行差分运算，得到对应的差分值；
确定当所述差分值为零时对应的m值，将m转换为对应的所述漂移量。
8.根据权利要求7所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，所述将m转换为对应的所述漂移量包括：
根据可调谐激光光源的预设扫描范围内的扫描间隔；
根据所述扫描间隔和m的乘积，确定对应的所述漂移量。
9.根据权利要求8所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，所述差分值通过如下公式表示：
其中，E(m)表示所述差分值，t(n)表示所述第一部分光谱图，g(m+n)表示所述光栅当前时刻的边缘光谱图进行平移m个点后的光谱图，n表示任意点。
10.根据权利要求8所述的油井套管的振动参量和温度参量的测量方法，其特征在于，所述基于所述漂移量，确定当前时刻光栅的温度参量包括：将所述漂移量与光栅的温度漂移系数相乘，确定所述温度参量。
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