專利名稱：分布式溫度系統(tǒng)中的雙源自動(dòng)校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及溫度傳感，更具體地涉及用于分布式溫度傳感的雙源自校準(zhǔn)系統(tǒng)
和方法。 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)要求由本發(fā)明人在2007年7月18日提交的美國(guó)臨時(shí)序列號(hào)60/951， 931 的利益。
背景技術(shù)：
光纖分布式溫度傳感(DTS)系統(tǒng)是在20世紀(jì)80年代發(fā)展來(lái)取代基于熱電偶和熱 敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)的。DTS技術(shù)基于光時(shí)域反射法(0TDR)并且利用最初源自于電信電 纜測(cè)試的技術(shù)。今天，DTS提供了獲得成百甚至上千個(gè)高度精確的高分辨率溫度測(cè)量的成 本有效的方法，今天的DTS系統(tǒng)在工業(yè)如石油天然氣、電力和工藝控制中得到廣泛接受。
在基于DTS的測(cè)量中涉及的基本原理是檢測(cè)自發(fā)的拉曼(Raman)背散射。DTS系 統(tǒng)發(fā)射初級(jí)激光脈沖，其產(chǎn)生兩個(gè)背散射的光譜分量。與所發(fā)射的激光脈沖相比，斯托克斯 (Stokes)分量具有較低的頻率和較長(zhǎng)的波長(zhǎng)的含量，而與所發(fā)射的激光脈沖相比，反斯托 克斯分量具有較高的頻率和較短的波長(zhǎng)。反斯托克斯信號(hào)通常比斯托克斯信號(hào)弱一個(gè)數(shù)量 級(jí)(在室溫時(shí))而且是溫度敏感的，而斯托克斯信號(hào)幾乎與溫度完全無(wú)關(guān)。因此，這兩個(gè)信 號(hào)的比率可以用于確定在特定點(diǎn)處的光纖溫度。在發(fā)出初級(jí)激光脈沖與檢測(cè)到散射信號(hào)之 間的飛行時(shí)間可以用來(lái)計(jì)算在光纖中的散射事件的特殊位置。 在DTS系統(tǒng)的操作中涉及的一個(gè)問題是正確的校準(zhǔn)。DTS技術(shù)從在不同的波長(zhǎng) 頻帶中的兩個(gè)背散射信號(hào)得到溫度信息。波長(zhǎng)較短的信號(hào)是拉曼反斯托克斯信號(hào)，波長(zhǎng)較 長(zhǎng)的信號(hào)通常是拉曼斯托克斯信號(hào)。當(dāng)以、的光在溫度傳感光纖中從初級(jí)源發(fā)射之后， 從光纖中的不同位置出現(xiàn)的包含于斯托克斯(A，。k，和反斯托克斯(A，"-St*"頻帶 中的散射功率向回傳播至發(fā)射端，并且被一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)到。當(dāng)斯托克斯和反斯托 克斯信號(hào)傳播時(shí)，由于對(duì)這兩個(gè)信號(hào)的波長(zhǎng)頻帶內(nèi)的差異，它們分別經(jīng)歷不同的衰減分布 (attenuation prof ile) a stokes禾口 a旨一。為了獲得正確的溫度測(cè)量，需要進(jìn)行校正以
使這兩個(gè)信號(hào)顯示出相同的衰減。 —種使用的方式是假定衰減分布作為距離的函數(shù)按指數(shù)衰減。這產(chǎn)生帶有被稱作 微分衰減因子(DAF)的指數(shù)的指數(shù)函數(shù)，該微分衰減因子被乘以斯托克斯信號(hào)以將衰減分 布調(diào)節(jié)到反斯托克斯信號(hào)的衰減分布。因而形成的兩個(gè)信號(hào)的比率接著用于獲得溫度。DAF 是在兩個(gè)不同波長(zhǎng)之間的衰減的差別(aAS_as)。 然而平滑指數(shù)衰減的假設(shè)并不總是事實(shí)。許多因素可使實(shí)際衰減偏離指數(shù)形式。 局部機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變、光纖巻曲、化學(xué)侵襲(即氫的進(jìn)入)都可能引起異常，并且這些中的 一些可以隨時(shí)間變化。在工業(yè)中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，需要一些連續(xù)校準(zhǔn)形式來(lái)減少所有這些不規(guī)律。 Yamate等人的美國(guó)專利7， 126， 680 B2提出使用兩個(gè)額外的光源_ 一個(gè)在初級(jí)源 的斯托克斯頻帶內(nèi)而另一個(gè)在初級(jí)源的反斯托克斯頻帶內(nèi)_以產(chǎn)生瑞利(Rayleigh)0TDR
3信號(hào)并對(duì)背散射信號(hào)的衰減分布進(jìn)行時(shí)間校正。因此，Yamate等人實(shí)際上提出的是移除來(lái) 自期望光源的背散射可用性中的衰減分量，或者說(shuō)，成本問題是對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的障礙。
提出了在過(guò)去使用瑞利和反斯托克斯頻帶(Farries-英國(guó)專利GB2183821-1987) 的一些單源方法。當(dāng)前的發(fā)明人中的一個(gè)在美國(guó)申請(qǐng)11/685， 637中提出了一種雙源方式。 這些方案中的每一個(gè)具有明顯慢的響應(yīng)而且不是全自動(dòng)的。 雙端配置(傳感光纖的兩端都連接至DTS單元以抵消共同的衰減)已經(jīng)被使用。 這些配置可能使傳感光纖的長(zhǎng)度和傳感時(shí)閘加倍，需要額外的監(jiān)控信道，并且不是普遍適 用于空間有限的應(yīng)用。
發(fā)明簡(jiǎn)述 因而存在對(duì)更簡(jiǎn)單而且全自動(dòng)的校正方法的需要。本發(fā)明提供了用于分布式溫度 傳感的雙源自校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法。更特別地，使用包括初級(jí)源和次級(jí)源的雙源配置，其中次級(jí) 源的波長(zhǎng)與初級(jí)源的反斯托克斯拉曼波長(zhǎng)近似一致。創(chuàng)造性概念的這個(gè)方面允許精確的溫 度監(jiān)控，而不需要在布置傳感光纖后處理微分衰減。 在一個(gè)實(shí)施方式中， 一種使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自動(dòng)校正溫度測(cè)量的方法至 少包括步驟使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入傳感器光纖；收集處在初級(jí)光能的拉曼反斯托 克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；使用次級(jí)光源將處在初級(jí)光能的拉曼反斯托克斯 波長(zhǎng)的次級(jí)光能注入同一個(gè)傳感光纖；收集處在次級(jí)光能的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的 光能并測(cè)量其強(qiáng)度；以及使用初級(jí)光能的背散射的反斯托克斯信號(hào)和次級(jí)光能的背散射的 斯托克斯信號(hào)來(lái)計(jì)算溫度。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，使用光纖分布傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的系統(tǒng)至少包
括分布式光纖傳感器；用于從所述分布式光纖傳感器提供背散射反斯托克斯頻帶的初級(jí)
光源；具有被選擇成與所述初級(jí)光源提供的所述背散射反斯托克斯頻帶一致的波長(zhǎng)的次級(jí)
光源，所述次級(jí)光源從所述分布式光纖傳感器提供背散射斯托克斯頻帶；用于在所述初級(jí)
光源和次級(jí)光源之間進(jìn)行選擇的光學(xué)開關(guān)；其中該系統(tǒng)基于初級(jí)光源的反斯托克斯頻帶與
次級(jí)光源的斯托克斯頻帶的比率來(lái)校準(zhǔn)并測(cè)量沿所述分布式光纖傳感器的溫度分布。 在創(chuàng)造性概念的另一個(gè)實(shí)施方式中，存在使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫
度測(cè)量的方法，該方法至少包括步驟使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入傳感器光纖；收集處
在初級(jí)光源的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；使用次級(jí)光源將處在初級(jí)
光源的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的次級(jí)光能注入光纖；收集處在次級(jí)光源的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)
的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；計(jì)算初級(jí)光源的背散射斯托克斯信號(hào)與次級(jí)光源的背散射
斯托克斯信號(hào)之間的比率以在沿傳感器光纖的一個(gè)或多個(gè)位置處產(chǎn)生衰減校正因子；以及
使用該衰減校正因子調(diào)節(jié)由光纖分布式溫度傳感器測(cè)量的溫度。在這種方法中，溫度測(cè)量
和計(jì)算通過(guò)下列操作進(jìn)行使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入所述傳感器光纖；收集處在初級(jí)
光源的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；收集處在初級(jí)光源的拉曼斯托
克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；以及計(jì)算在背散射拉曼反斯托克斯和斯托克斯波
長(zhǎng)的強(qiáng)度之間的比率。 附圖的幾個(gè)視圖的簡(jiǎn)述 為了更徹底地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參考以下附圖，其中，


圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的DTS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2顯示了被配置成用于雙光校準(zhǔn)的DTS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖3示出了初級(jí)光源和次級(jí)光源的選擇。 圖4示出了來(lái)自常規(guī)DTS跡線的背散射光信號(hào)。 圖5示出了來(lái)自雙光布置的背散射信號(hào)。 圖6示出了來(lái)自四個(gè)不同傳感光纖探測(cè)器的OTDR信號(hào)。 圖7示出了在單光系統(tǒng)中沒有衰減校正的四個(gè)傳感光纖探測(cè)器的溫度測(cè)量。
圖8示出了使用了本發(fā)明的雙光提議的沒有衰減調(diào)節(jié)的溫度測(cè)量。
發(fā)明詳述 在以下的詳細(xì)描述中，參考示出了本發(fā)明實(shí)施方式的附圖。這些實(shí)施方式被足夠 詳細(xì)地描述以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠在沒有過(guò)多的試驗(yàn)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。然 而，應(yīng)當(dāng)理解，在此描述的實(shí)施方式和例子只作為例證而不是作為限制給出。各種替代、更 改、增補(bǔ)、以及重新布置可以在不偏離本發(fā)明精神的情況下做出。因此，接下來(lái)的描述并不 在限制的意義被理解，并且本發(fā)明的范圍只由附加的權(quán)利要求限定。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖1，其描繪了通常由數(shù)字100示出的現(xiàn)有技術(shù)的單源DTS系統(tǒng)。在操作 中，具有波長(zhǎng)A工的脈沖激光由初級(jí)激光源104產(chǎn)生，并通過(guò)光學(xué)合并器/分離器108提供 給傳感光纖112。內(nèi)部基準(zhǔn)光纖線圈116位于DTS之中并且被保持在已知的溫度e。由于 密度和組成的變化以及分子和整體振動(dòng)，當(dāng)脈沖通過(guò)光纖112傳播時(shí)光被背散射。在均質(zhì) 光纖中，背散射光的強(qiáng)度隨時(shí)間以指數(shù)形式衰減。 因?yàn)楣庠诠饫w112中的傳播速度是公知的，從返回的背散射光的飛行時(shí)間可以確 定距離。背散射光到達(dá)光學(xué)合并器/分離器108，并由于在傳播的光脈沖和光纖之間的不同 的相互作用機(jī)制而包含不同光譜分量。這些背散射光譜分量包括瑞利、布里淵(Brillouin) 和拉曼峰值和頻帶。光學(xué)合并器/分離器108將這些混合的光譜分量引導(dǎo)至光學(xué)濾波器 120，該濾波器將這些背散射分量分離到可以是瑞利、拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯波長(zhǎng) 的所關(guān)注的頻帶內(nèi)，并且接著將它們送到必要的光檢測(cè)器124中。為了說(shuō)明的目的，顯示了 三個(gè)光檢測(cè)器。來(lái)自光檢測(cè)器的信號(hào)被送至被編程的信號(hào)處理器，其輸出作為沿傳感光纖 112的位置的函數(shù)的溫度。 瑞利背散射分量(A K)是最強(qiáng)的信號(hào)并且具有與初級(jí)激光脈沖相同的波長(zhǎng)A 1()因 此，瑞利分量控制強(qiáng)度衰減曲線的主斜率并且可以用來(lái)識(shí)別沿光纖的破裂或不均勻性。瑞 利分量對(duì)溫度不敏感，即，是溫度無(wú)關(guān)的。 布里淵背散射分量由來(lái)自傳播的光脈沖的晶格振動(dòng)引起。然而，這些峰值在光譜 上如此接近于初級(jí)激光脈沖，以致于很難將布里淵分量從瑞利信號(hào)中分離出來(lái)。
拉曼背散射分量由來(lái)自傳播的光脈沖的分子振動(dòng)的熱影響引起。因此，它們的強(qiáng) 度取決于溫度。拉曼背散射光具有兩個(gè)分量，其對(duì)稱地位于瑞利峰值的兩側(cè)斯托克斯峰值 (入s)和反斯托克斯峰值(入AS)。 反斯托克斯峰值的強(qiáng)度(IAS)通常低于斯托克斯峰值的強(qiáng)度(Is)，但是強(qiáng)烈地與 溫度相關(guān)，而斯托克斯峰值的強(qiáng)度僅僅很弱地與溫度相關(guān)。通過(guò)計(jì)算反斯托克斯與斯托克 斯信號(hào)強(qiáng)度的比率，可以獲得精確的溫度測(cè)量結(jié)果。將這個(gè)溫度測(cè)量技術(shù)與借助光飛行時(shí) 間的距離測(cè)量相結(jié)合，DTS系統(tǒng)可以提供沿光纖112的整個(gè)長(zhǎng)度逐步漸進(jìn)的溫度測(cè)量結(jié)果。
在典型的單光源拉曼DTS系統(tǒng)中，通過(guò)在反斯托克斯(IAS)和斯托克斯(Is)信號(hào)
5溫度，溫度信息可以根據(jù)方程1得到 方程(1)
<formula>formula see original document page 6</formula>
之間的強(qiáng)度比率R(T) <formula>formula see original document page 6</formula> 其中A s和A AS是斯托克斯和反斯托克斯波長(zhǎng)，u是它們距輸入波長(zhǎng)A工的波數(shù)， h是普朗克常數(shù)，c是光速，k是波爾茲曼常數(shù)，以及T是在測(cè)量中光纖芯的絕對(duì)溫度。
輸入信號(hào)沿光纖向測(cè)量位置傳播，并且散射信號(hào)傳播回檢測(cè)器，這在兩個(gè)方向上 給背散射信號(hào)增加衰減效應(yīng)。另外，由于當(dāng)從測(cè)量點(diǎn)傳播到檢測(cè)器時(shí)波長(zhǎng)的差異，在反斯托 克斯信號(hào)和斯托克斯信號(hào)之間有衰減因子的微小的差異。除了非線性效應(yīng)之外，對(duì)于較短 的波長(zhǎng)，光纖通常還表現(xiàn)出較高的衰減，并且因此，與斯托克斯信號(hào)相比，反斯托克斯信號(hào) 通常有較高的衰減。作為結(jié)果，假設(shè)光學(xué)信號(hào)沿光纖103按指數(shù)衰減，方程1可被更改以如 下得到光纖導(dǎo)致的衰減效應(yīng)<formula>formula see original document page 6</formula>方程(2)
和as分別是在反斯托克斯和斯托克斯波長(zhǎng)中 其中1是信號(hào)傳播的光纖長(zhǎng)度，a 的衰減因子。 在使用該方程導(dǎo)出溫度之前，微分衰減導(dǎo)致的分量可以被移除。典型的方式是將 (aAS-as)因子(被稱作微分衰減因子或DAF)移動(dòng)到方程2的左側(cè)。對(duì)于給定的光纖類 型，DAF可以被預(yù)先確定，然后可以通過(guò)使斯托克斯數(shù)據(jù)與DAF導(dǎo)致的指數(shù)因子相乘來(lái)得到 溫度
<formula>formula see original document page 6</formula>
方程(3) 這一運(yùn)算基于沿光纖傳播的所有光學(xué)信號(hào)的衰減分布作為距離的函數(shù)按指數(shù)衰 減的假設(shè)。雖然通常這對(duì)大多數(shù)物理狀態(tài)良好的光纖成立，物理應(yīng)力/應(yīng)變、非常高/低的 溫度和/或氫的進(jìn)入可能使背散射信號(hào)的衰減分布偏離最初測(cè)量和校準(zhǔn)的形式。在這種情 況下，基于單個(gè)靜態(tài)DAF的校正因子不再是足夠準(zhǔn)確或有效的。 通常被示為數(shù)字200的圖2顯示了供選擇的DTS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)能夠執(zhí)行 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的自校準(zhǔn)方法。初級(jí)光源204(波長(zhǎng)A》和次級(jí)光源206(波長(zhǎng)入2) 可以二中擇一地將初級(jí)光學(xué)信號(hào)和次級(jí)光學(xué)信號(hào)經(jīng)由光學(xué)開關(guān)205送到傳感光纖212和基 準(zhǔn)光纖線圈216。當(dāng)光學(xué)開關(guān)205在第一位置時(shí)，初級(jí)源204產(chǎn)生來(lái)自傳感光纖212的初級(jí) 背散射信號(hào)。當(dāng)光學(xué)開關(guān)205在第二位置時(shí)，次級(jí)源206產(chǎn)生來(lái)自傳感光纖212的次級(jí)背 散射信號(hào)。光學(xué)合并器/分離器208將這些混合的光譜分量引導(dǎo)至光學(xué)濾波器220，其將 這些背散射分量分離到所關(guān)注的頻帶中然后將它們送到光學(xué)檢測(cè)器124，這些所關(guān)注的頻 帶可以是初級(jí)光源或次級(jí)光源的瑞利、拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯頻率。為了說(shuō)明的 目的，顯示了三個(gè)光學(xué)檢測(cè)器，但是更多光學(xué)檢測(cè)器也是可能的。來(lái)自光學(xué)檢測(cè)器的信號(hào)被 送給被編程的信號(hào)處理器，該處理器輸出作為沿傳感光纖212的位置的函數(shù)的溫度。在一 個(gè)實(shí)施方式中，次級(jí)源波長(zhǎng)(入2)被選擇成與初級(jí)源的反斯托克斯波長(zhǎng)(A2AS) —致。這在 通常由數(shù)字300顯示的圖3中示出。如果次級(jí)源波長(zhǎng)被選擇成與初級(jí)反斯托克斯波長(zhǎng)相匹 配，則次級(jí)斯托克斯波長(zhǎng)與初級(jí)波長(zhǎng)、緊密匹配。如在以下推導(dǎo)中更加詳細(xì)討論的，這種配置消除了使用用于調(diào)整的任何瑞利信號(hào)的需要，并且可僅使用斯托克斯和反斯托克斯信 號(hào)來(lái)測(cè)量精確的溫度。 衰減因子作為波長(zhǎng)的函數(shù)變化，并且在反斯托克斯和斯托克斯信號(hào)之間變化，因 為這些信號(hào)不在同一波長(zhǎng)上。另外，衰減的局部變化不需要被假設(shè)為指數(shù)形式，并且沿光纖 212的衰減可以被表達(dá)為具有波長(zhǎng)和位置的變量的一般函數(shù)，如f(A， 1)。因此，方程2可
以如下被更改<formula>formula see original document page 7</formula>
只要斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)是來(lái)自同一輸入光源，這個(gè)方程就保持成立。使 用兩個(gè)輸入源，我們可以指定它們的波長(zhǎng)對(duì)初級(jí)源為、而對(duì)次級(jí)源為A2。另外，通過(guò)設(shè) 定次級(jí)源的波長(zhǎng)與初級(jí)源的反斯托克斯波長(zhǎng)近似一致，使得入2=、,則次級(jí)源的斯托 克斯波長(zhǎng)可與初級(jí)源的輸入波長(zhǎng)近似一致，A2S=入" 使用從次級(jí)源背散射的斯托克斯信號(hào)代替從初級(jí)源背散射的斯托克斯信號(hào)允許 方程4如下被更改<formula>formula see original document page 7</formula> 該代數(shù)操作證明由于對(duì)初級(jí)光源和次級(jí)光源的創(chuàng)造性選擇，現(xiàn)在不必處理微分 衰減就可以得到溫度信息。 在利用初級(jí)光源和次級(jí)光源的創(chuàng)造性選擇的另一個(gè)實(shí)施方式中，在初級(jí)源的斯托 克斯信號(hào)和次級(jí)源的斯托克斯信號(hào)之間的衰減差異可以用作校正因子，其可以表達(dá)為<formula>formula see original document page 7</formula> 用這種方式，初級(jí)光源和次光源都可以用于產(chǎn)生校正因子(L—S/I2—s)，然后單個(gè)源
可以用于溫度測(cè)量，同時(shí)，所述校正因子應(yīng)用于來(lái)自該源的反斯托克斯/斯托克斯比率。用
戶可以因此周期地或在要求時(shí)使用初級(jí)光源和次級(jí)光源產(chǎn)生一組新的校正因子。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括其配置的精確和使用的方便。本發(fā)明的實(shí)施方式利用單個(gè)額外
的源作為用于自校準(zhǔn)的次級(jí)源，與兩個(gè)額外的源相反，它們使用拉曼散射而不是瑞利散射
來(lái)執(zhí)行波長(zhǎng)調(diào)整，并且只需要斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)之間的比率而不考慮用微分衰減
來(lái)產(chǎn)生溫度信息。此外，在此描述的較簡(jiǎn)單的處理導(dǎo)致更精確和可靠的溫度測(cè)量。 為了計(jì)算絕對(duì)溫度，位于DTS單元(圖1中的116或圖2中的216)中的基準(zhǔn)光纖
線圈被保持在已知的溫度e 。于是沿傳感光纖的任意部分的未知溫度T可以通過(guò)重新排列
以上方程被計(jì)算為
<formula>formula see original document page 8</formula>
方程(7) 其中R(T)和R( 9 )分別是在傳感光纖的任意部分和基準(zhǔn)光纖線圈上所測(cè)量的背 散射比率。在方程5中的強(qiáng)度項(xiàng)^和^合并入方程7中的R(T)和R(e)中。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 在與圖2相類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，975nm(初級(jí))和940nm(次級(jí))的兩個(gè)激光源以脈 沖模式操作并且可選地使用光學(xué)開關(guān)被選擇，且散射信號(hào)通過(guò)硅APD (雪崩光電二極管)被 依次收集。收集所選擇的975nm激光連接的反斯托克斯信號(hào)，收集所選擇的940nm激光的 斯托克斯信號(hào)。單源系統(tǒng)的背散射光譜在圖4中示出，并且所提出的雙源系統(tǒng)的背散射拉 曼強(qiáng)度在圖5中示出。位于940nm和975nm的兩實(shí)線指示了次級(jí)光源和初級(jí)光源的瑞利頻 帶。并且包含實(shí)線的兩條虛線分別指示了初級(jí)光源和次級(jí)光源的反斯托克斯和斯托克斯頻 帶。 四個(gè)不同的多模光纖被用作測(cè)試探測(cè)器-來(lái)自不同制造商的在正常狀態(tài)下的三 個(gè)光纖，以及在油井中的氫-暗(hydrogen-darkened)的一個(gè)光纖(都以50/125/250G1匪 光纖:OFS 5km、 Spectran 4. 5km、 Corning2km以及氫-暗800m)。所有的光纖線軸被保持 在室溫，并且相繼獲取每個(gè)光纖的常規(guī)DTS操作和自校正模式的30秒OTDR跡線和2分鐘 溫度跡線。圖6顯示了由單源模式中的光纖產(chǎn)生的0TDR跡線中的比較，該圖清楚地顯示了 各光纖間的不同的衰減，并且還顯示了在暗光纖中(探測(cè)器4)局部產(chǎn)生的非線性衰減。依 次連接所有探測(cè)光纖，并且不需要采取任何校正微分衰減的行動(dòng)就可以得到溫度跡線。由 正常單源模式操作產(chǎn)生的因而形成的溫度分布被繪制圖7中。由于微分衰減，不同的光纖 之間的計(jì)算誤差很明顯。然而，圖8顯示了通過(guò)雙光自校正模式測(cè)量的溫度跡線。這些跡 線顯示所有光纖的正確的溫度跡線，與它們的固有衰減分布無(wú)關(guān)。該雙光模式易于被編程 為自動(dòng)系統(tǒng)。 雖然本發(fā)明的某些實(shí)施方式和它們的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在這里被詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，可 進(jìn)行各種變化、替換和變更，而不偏離如附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。此外， 本發(fā)明的范圍沒有被規(guī)定為限制到此處所描述的工藝、機(jī)器、產(chǎn)品、設(shè)備、方法以及步驟的 特定實(shí)施方式。正如從這個(gè)公開中本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易認(rèn)識(shí)到的，根據(jù)本發(fā) 明可利用執(zhí)行與此處所描述的相應(yīng)實(shí)施方式實(shí)質(zhì)上相同的功能或者實(shí)現(xiàn)與這些相應(yīng)實(shí)施 方式實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)果的目前存在的或以后將發(fā)展的其他工藝、機(jī)器、產(chǎn)品、設(shè)備、方法或 者步驟。因此，附加權(quán)利要求旨在將這樣的工藝、機(jī)器、產(chǎn)品、設(shè)備、方法或者步驟包括在其 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自動(dòng)校正的溫度測(cè)量的方法，所述方法包括以下步驟a.使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入傳感器光纖中；b.收集處于所述初級(jí)光能的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；c.使用次級(jí)光源將處于所述初級(jí)光能的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的次級(jí)光能注入所述光纖中；d.收集處于所述次級(jí)光能的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；以及e.使用所述初級(jí)光能的背散射反斯托克斯信號(hào)和所述次級(jí)光能的背散射斯托克斯信號(hào)來(lái)計(jì)算溫度。
2. 如權(quán)利要求1所述的使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的方法，其中所 述初級(jí)光源具有的波長(zhǎng)為大約975納米并且所述次級(jí)光源具有的波長(zhǎng)為大約940納米。
3. 如權(quán)利要求1所述的使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的方法，其中所 述計(jì)算步驟在不測(cè)量或使用微分衰減分布的情況下執(zhí)行。
4. 一種使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a. 分布式光纖傳感器；b. 初級(jí)光源，其用于從所述分布式光纖傳感器提供背散射反斯托克司頻帶；c. 次級(jí)光源，其具有被選擇成與所述初級(jí)光源提供的所述背散射反斯托克斯頻帶一致 的波長(zhǎng)，所述次級(jí)光源從所述分布式光纖傳感器提供背散射斯托克司頻帶；d. 光學(xué)開關(guān)，其用于在所述初級(jí)光源和所述次級(jí)光源之間選擇；其中，所述系統(tǒng)基于所述初級(jí)光源的反斯托克斯頻帶與所述次級(jí)光源的斯托克斯頻帶 的比率來(lái)校準(zhǔn)并測(cè)量沿所述分布式光纖傳感器的溫度分布。
5. —種使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的方法，所述方法包括以下步驟a. 使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入傳感器光纖；b. 收集處于所述初級(jí)光源的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；c. 使用次級(jí)光源將處于所述初級(jí)光源的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的次級(jí)光能注入所述光纖；d. 收集處于所述次級(jí)光源的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；e. 計(jì)算所述初級(jí)光源的背散射斯托克斯信號(hào)和所述次級(jí)光源的背散射斯托克斯信號(hào) 之間的比率，以在沿所述傳感器光纖的一個(gè)或多個(gè)位置處產(chǎn)生衰減校正因子；以及f. 使用所述衰減校正因子調(diào)節(jié)所述光纖分布式溫度傳感器所測(cè)量的溫度。
6. 如權(quán)利要求5所述的使用光纖分布式傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)的溫度測(cè)量的方法，其中由 所述光纖分布式溫度傳感器所測(cè)量的所述溫度通過(guò)下列操作被測(cè)量a. 使用初級(jí)光源將初級(jí)光能注入所述傳感器光纖；b. 收集處于所述初級(jí)光源的拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；c. 收集處于所述初級(jí)光源的拉曼斯托克斯波長(zhǎng)的背散射的光能并測(cè)量其強(qiáng)度；以及d. 計(jì)算所述背散射拉曼反斯托克斯波長(zhǎng)和斯托克斯波長(zhǎng)的強(qiáng)度之間的比率。
全文摘要
提出一種自動(dòng)且連續(xù)的方法提高從利用具有不同波長(zhǎng)的兩個(gè)光源的拉曼背散射得到的光纖分布式溫度測(cè)量的精確度，方式是通過(guò)選擇兩個(gè)源的波長(zhǎng)使得初級(jí)光源的返回的反斯托克斯分量與次級(jí)光源的入射波長(zhǎng)重疊，從而抵消了由斯托克斯和反斯托克斯頻帶之間的波長(zhǎng)差異產(chǎn)生的不一致的衰減。
文檔編號(hào)G01K11/12GK101743460SQ200880024741
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者徐光 , 李鐘 申請(qǐng)人:薩索特蘭公司