分布式溫度系統中的雙源自動校正的製作方法

2023-08-12 15:52:26

專利名稱：分布式溫度系統中的雙源自動校正的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及溫度傳感，更具體地涉及用於分布式溫度傳感的雙源自校準系統
和方法。 相關申請的交叉引用 本申請要求由本發明人在2007年7月18日提交的美國臨時序列號60/951， 931 的利益。
背景技術：
光纖分布式溫度傳感(DTS)系統是在20世紀80年代發展來取代基於熱電偶和熱 敏電阻的溫度測量系統的。DTS技術基於光時域反射法(0TDR)並且利用最初源自於電信電 纜測試的技術。今天，DTS提供了獲得成百甚至上千個高度精確的高解析度溫度測量的成 本有效的方法，今天的DTS系統在工業如石油天然氣、電力和工藝控制中得到廣泛接受。
在基於DTS的測量中涉及的基本原理是檢測自發的拉曼(Raman)背散射。DTS系 統發射初級雷射脈衝，其產生兩個背散射的光譜分量。與所發射的雷射脈衝相比，斯託克斯 (Stokes)分量具有較低的頻率和較長的波長的含量，而與所發射的雷射脈衝相比，反斯託 克斯分量具有較高的頻率和較短的波長。反斯託克斯信號通常比斯託克斯信號弱一個數量 級(在室溫時)而且是溫度敏感的，而斯託克斯信號幾乎與溫度完全無關。因此，這兩個信 號的比率可以用於確定在特定點處的光纖溫度。在發出初級雷射脈衝與檢測到散射信號之 間的飛行時間可以用來計算在光纖中的散射事件的特殊位置。 在DTS系統的操作中涉及的一個問題是正確的校準。DTS技術從在不同的波長 頻帶中的兩個背散射信號得到溫度信息。波長較短的信號是拉曼反斯託克斯信號，波長較 長的信號通常是拉曼斯託克斯信號。當以、的光在溫度傳感光纖中從初級源發射之後， 從光纖中的不同位置出現的包含於斯託克斯(A，。k，和反斯託克斯(A，"-St*"頻帶 中的散射功率向回傳播至發射端，並且被一個或多個檢測器檢測到。當斯託克斯和反斯託 克斯信號傳播時，由於對這兩個信號的波長頻帶內的差異，它們分別經歷不同的衰減分布 (attenuation prof ile) a stokes禾口 a旨一。為了獲得正確的溫度測量，需要進行校正以
使這兩個信號顯示出相同的衰減。 —種使用的方式是假定衰減分布作為距離的函數按指數衰減。這產生帶有被稱作 微分衰減因子(DAF)的指數的指數函數，該微分衰減因子被乘以斯託克斯信號以將衰減分 布調節到反斯託克斯信號的衰減分布。因而形成的兩個信號的比率接著用於獲得溫度。DAF 是在兩個不同波長之間的衰減的差別(aAS_as)。 然而平滑指數衰減的假設並不總是事實。許多因素可使實際衰減偏離指數形式。 局部機械應力或應變、光纖巻曲、化學侵襲(即氫的進入)都可能引起異常，並且這些中的 一些可以隨時間變化。在工業中已經認識到，需要一些連續校準形式來減少所有這些不規律。 Yamate等人的美國專利7， 126， 680 B2提出使用兩個額外的光源_ 一個在初級源 的斯託克斯頻帶內而另一個在初級源的反斯託克斯頻帶內_以產生瑞利(Rayleigh)0TDR
3信號並對背散射信號的衰減分布進行時間校正。因此，Yamate等人實際上提出的是移除來 自期望光源的背散射可用性中的衰減分量，或者說，成本問題是對實際實現的障礙。
提出了在過去使用瑞利和反斯託克斯頻帶(Farries-英國專利GB2183821-1987) 的一些單源方法。當前的發明人中的一個在美國申請11/685， 637中提出了一種雙源方式。 這些方案中的每一個具有明顯慢的響應而且不是全自動的。 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)已經被使用。 這些配置可能使傳感光纖的長度和傳感時閘加倍，需要額外的監控信道，並且不是普遍適 用於空間有限的應用。
發明簡述 因而存在對更簡單而且全自動的校正方法的需要。本發明提供了用於分布式溫度 傳感的雙源自校準系統和方法。更特別地，使用包括初級源和次級源的雙源配置，其中次級 源的波長與初級源的反斯託克斯拉曼波長近似一致。創造性概念的這個方面允許精確的溫 度監控，而不需要在布置傳感光纖後處理微分衰減。 在一個實施方式中， 一種使用光纖分布式傳感器進行自動校正溫度測量的方法至 少包括步驟使用初級光源將初級光能注入傳感器光纖；收集處在初級光能的拉曼反斯託 克斯波長的背散射的光能並測量其強度；使用次級光源將處在初級光能的拉曼反斯託克斯 波長的次級光能注入同一個傳感光纖；收集處在次級光能的拉曼斯託克斯波長的背散射的 光能並測量其強度；以及使用初級光能的背散射的反斯託克斯信號和次級光能的背散射的 斯託克斯信號來計算溫度。 在另一個實施方式中，使用光纖分布傳感器進行自校準的溫度測量的系統至少包
括分布式光纖傳感器；用於從所述分布式光纖傳感器提供背散射反斯託克斯頻帶的初級
光源；具有被選擇成與所述初級光源提供的所述背散射反斯託克斯頻帶一致的波長的次級
光源，所述次級光源從所述分布式光纖傳感器提供背散射斯託克斯頻帶；用於在所述初級
光源和次級光源之間進行選擇的光學開關；其中該系統基於初級光源的反斯託克斯頻帶與
次級光源的斯託克斯頻帶的比率來校準並測量沿所述分布式光纖傳感器的溫度分布。 在創造性概念的另一個實施方式中，存在使用光纖分布式傳感器進行自校準的溫
度測量的方法，該方法至少包括步驟使用初級光源將初級光能注入傳感器光纖；收集處
在初級光源的拉曼斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；使用次級光源將處在初級
光源的拉曼反斯託克斯波長的次級光能注入光纖；收集處在次級光源的拉曼斯託克斯波長
的背散射的光能並測量其強度；計算初級光源的背散射斯託克斯信號與次級光源的背散射
斯託克斯信號之間的比率以在沿傳感器光纖的一個或多個位置處產生衰減校正因子；以及
使用該衰減校正因子調節由光纖分布式溫度傳感器測量的溫度。在這種方法中，溫度測量
和計算通過下列操作進行使用初級光源將初級光能注入所述傳感器光纖；收集處在初級
光源的拉曼反斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；收集處在初級光源的拉曼斯託
克斯波長的背散射的光能並測量其強度；以及計算在背散射拉曼反斯託克斯和斯託克斯波
長的強度之間的比率。 附圖的幾個視圖的簡述 為了更徹底地理解本發明，現在參考以下附圖，其中，


圖1顯示了現有技術的DTS系統的結構圖。
圖2顯示了被配置成用於雙光校準的DTS系統的結構圖。 圖3示出了初級光源和次級光源的選擇。 圖4示出了來自常規DTS跡線的背散射光信號。 圖5示出了來自雙光布置的背散射信號。 圖6示出了來自四個不同傳感光纖探測器的OTDR信號。 圖7示出了在單光系統中沒有衰減校正的四個傳感光纖探測器的溫度測量。
圖8示出了使用了本發明的雙光提議的沒有衰減調節的溫度測量。
發明詳述 在以下的詳細描述中，參考示出了本發明實施方式的附圖。這些實施方式被足夠 詳細地描述以使本領域的普通技術人員能夠在沒有過多的試驗的情況下實踐本發明。然 而，應當理解，在此描述的實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、以及重新布置可以在不偏離本發明精神的情況下做出。因此，接下來的描述並不 在限制的意義被理解，並且本發明的範圍只由附加的權利要求限定。 現在轉向圖1，其描繪了通常由數字100示出的現有技術的單源DTS系統。在操作 中，具有波長A工的脈衝雷射由初級雷射源104產生，並通過光學合併器/分離器108提供 給傳感光纖112。內部基準光纖線圈116位於DTS之中並且被保持在已知的溫度e。由於 密度和組成的變化以及分子和整體振動，當脈衝通過光纖112傳播時光被背散射。在均質 光纖中，背散射光的強度隨時間以指數形式衰減。 因為光在光纖112中的傳播速度是公知的，從返回的背散射光的飛行時間可以確 定距離。背散射光到達光學合併器/分離器108，並由於在傳播的光脈衝和光纖之間的不同 的相互作用機制而包含不同光譜分量。這些背散射光譜分量包括瑞利、布裡淵(Brillouin) 和拉曼峰值和頻帶。光學合併器/分離器108將這些混合的光譜分量引導至光學濾波器 120，該濾波器將這些背散射分量分離到可以是瑞利、拉曼斯託克斯和拉曼反斯託克斯波長 的所關注的頻帶內，並且接著將它們送到必要的光檢測器124中。為了說明的目的，顯示了 三個光檢測器。來自光檢測器的信號被送至被編程的信號處理器，其輸出作為沿傳感光纖 112的位置的函數的溫度。 瑞利背散射分量(A K)是最強的信號並且具有與初級雷射脈衝相同的波長A 1因 此，瑞利分量控制強度衰減曲線的主斜率並且可以用來識別沿光纖的破裂或不均勻性。瑞 利分量對溫度不敏感，即，是溫度無關的。 布裡淵背散射分量由來自傳播的光脈衝的晶格振動引起。然而，這些峰值在光譜 上如此接近於初級雷射脈衝，以致於很難將布裡淵分量從瑞利信號中分離出來。
拉曼背散射分量由來自傳播的光脈衝的分子振動的熱影響引起。因此，它們的強 度取決於溫度。拉曼背散射光具有兩個分量，其對稱地位於瑞利峰值的兩側斯託克斯峰值 (入s)和反斯託克斯峰值(入AS)。 反斯託克斯峰值的強度(IAS)通常低於斯託克斯峰值的強度(Is)，但是強烈地與 溫度相關，而斯託克斯峰值的強度僅僅很弱地與溫度相關。通過計算反斯託克斯與斯託克 斯信號強度的比率，可以獲得精確的溫度測量結果。將這個溫度測量技術與藉助光飛行時 間的距離測量相結合，DTS系統可以提供沿光纖112的整個長度逐步漸進的溫度測量結果。
在典型的單光源拉曼DTS系統中，通過在反斯託克斯(IAS)和斯託克斯(Is)信號
5溫度，溫度信息可以根據方程1得到 方程(1)
formula see original document page 6
之間的強度比率R(T) formula see original document page 6 其中A s和A AS是斯託克斯和反斯託克斯波長，u是它們距輸入波長A工的波數， h是普朗克常數，c是光速，k是波爾茲曼常數，以及T是在測量中光纖芯的絕對溫度。
輸入信號沿光纖向測量位置傳播，並且散射信號傳播回檢測器，這在兩個方向上 給背散射信號增加衰減效應。另外，由於當從測量點傳播到檢測器時波長的差異，在反斯託 克斯信號和斯託克斯信號之間有衰減因子的微小的差異。除了非線性效應之外，對於較短 的波長，光纖通常還表現出較高的衰減，並且因此，與斯託克斯信號相比，反斯託克斯信號 通常有較高的衰減。作為結果，假設光學信號沿光纖103按指數衰減，方程1可被更改以如 下得到光纖導致的衰減效應formula see original document page 6方程(2)
和as分別是在反斯託克斯和斯託克斯波長中 其中1是信號傳播的光纖長度，a 的衰減因子。 在使用該方程導出溫度之前，微分衰減導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)移動到方程2的左側。對於給定的光纖類 型，DAF可以被預先確定，然後可以通過使斯託克斯數據與DAF導致的指數因子相乘來得到 溫度
formula see original document page 6
方程(3) 這一運算基於沿光纖傳播的所有光學信號的衰減分布作為距離的函數按指數衰 減的假設。雖然通常這對大多數物理狀態良好的光纖成立，物理應力/應變、非常高/低的 溫度和/或氫的進入可能使背散射信號的衰減分布偏離最初測量和校準的形式。在這種情 況下，基於單個靜態DAF的校正因子不再是足夠準確或有效的。 通常被示為數字200的圖2顯示了供選擇的DTS系統的結構圖，該系統能夠執行 根據本發明實施方式的自校準方法。初級光源204(波長A》和次級光源206(波長入2) 可以二中擇一地將初級光學信號和次級光學信號經由光學開關205送到傳感光纖212和基 準光纖線圈216。當光學開關205在第一位置時，初級源204產生來自傳感光纖212的初級 背散射信號。當光學開關205在第二位置時，次級源206產生來自傳感光纖212的次級背 散射信號。光學合併器/分離器208將這些混合的光譜分量引導至光學濾波器220，其將 這些背散射分量分離到所關注的頻帶中然後將它們送到光學檢測器124，這些所關注的頻 帶可以是初級光源或次級光源的瑞利、拉曼斯託克斯和拉曼反斯託克斯頻率。為了說明的 目的，顯示了三個光學檢測器，但是更多光學檢測器也是可能的。來自光學檢測器的信號被 送給被編程的信號處理器，該處理器輸出作為沿傳感光纖212的位置的函數的溫度。在一 個實施方式中，次級源波長(入2)被選擇成與初級源的反斯託克斯波長(A2AS) —致。這在 通常由數字300顯示的圖3中示出。如果次級源波長被選擇成與初級反斯託克斯波長相匹 配，則次級斯託克斯波長與初級波長、緊密匹配。如在以下推導中更加詳細討論的，這種配置消除了使用用於調整的任何瑞利信號的需要，並且可僅使用斯託克斯和反斯託克斯信 號來測量精確的溫度。 衰減因子作為波長的函數變化，並且在反斯託克斯和斯託克斯信號之間變化，因 為這些信號不在同一波長上。另外，衰減的局部變化不需要被假設為指數形式，並且沿光纖 212的衰減可以被表達為具有波長和位置的變量的一般函數，如f(A， 1)。因此，方程2可
以如下被更改formula see original document page 7
只要斯託克斯和反斯託克斯信號是來自同一輸入光源，這個方程就保持成立。使 用兩個輸入源，我們可以指定它們的波長對初級源為、而對次級源為A2。另外，通過設 定次級源的波長與初級源的反斯託克斯波長近似一致，使得入2=、,則次級源的斯託 克斯波長可與初級源的輸入波長近似一致，A2S=入" 使用從次級源背散射的斯託克斯信號代替從初級源背散射的斯託克斯信號允許 方程4如下被更改formula see original document page 7 該代數操作證明由於對初級光源和次級光源的創造性選擇，現在不必處理微分 衰減就可以得到溫度信息。 在利用初級光源和次級光源的創造性選擇的另一個實施方式中，在初級源的斯託 克斯信號和次級源的斯託克斯信號之間的衰減差異可以用作校正因子，其可以表達為formula see original document page 7 用這種方式，初級光源和次光源都可以用於產生校正因子(L—S/I2—s)，然後單個源
可以用於溫度測量，同時，所述校正因子應用於來自該源的反斯託克斯/斯託克斯比率。用
戶可以因此周期地或在要求時使用初級光源和次級光源產生一組新的校正因子。 本發明的優點包括其配置的精確和使用的方便。本發明的實施方式利用單個額外
的源作為用於自校準的次級源，與兩個額外的源相反，它們使用拉曼散射而不是瑞利散射
來執行波長調整，並且只需要斯託克斯和反斯託克斯信號之間的比率而不考慮用微分衰減
來產生溫度信息。此外，在此描述的較簡單的處理導致更精確和可靠的溫度測量。 為了計算絕對溫度，位於DTS單元(圖1中的116或圖2中的216)中的基準光纖
線圈被保持在已知的溫度e 。於是沿傳感光纖的任意部分的未知溫度T可以通過重新排列
以上方程被計算為
formula see original document page 8
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光纖線圈上所測量的背 散射比率。在方程5中的強度項^和^合併入方程7中的R(T)和R(e)中。
實驗驗證 在與圖2相類似的實驗設置中，975nm(初級)和940nm(次級)的兩個雷射源以脈 衝模式操作並且可選地使用光學開關被選擇，且散射信號通過矽APD (雪崩光電二極體)被 依次收集。收集所選擇的975nm雷射連接的反斯託克斯信號，收集所選擇的940nm雷射的 斯託克斯信號。單源系統的背散射光譜在圖4中示出，並且所提出的雙源系統的背散射拉 曼強度在圖5中示出。位於940nm和975nm的兩實線指示了次級光源和初級光源的瑞利頻 帶。並且包含實線的兩條虛線分別指示了初級光源和次級光源的反斯託克斯和斯託克斯頻 帶。 四個不同的多模光纖被用作測試探測器-來自不同製造商的在正常狀態下的三 個光纖，以及在油井中的氫-暗(hydrogen-darkened)的一個光纖(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，並且相繼獲取每個光纖的常規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，並且還顯示了在暗光纖中(探測器4)局部產生的非線性衰減。依 次連接所有探測光纖，並且不需要採取任何校正微分衰減的行動就可以得到溫度跡線。由 正常單源模式操作產生的因而形成的溫度分布被繪製圖7中。由於微分衰減，不同的光纖 之間的計算誤差很明顯。然而，圖8顯示了通過雙光自校正模式測量的溫度跡線。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關。該雙光模式易於被編程 為自動系統。 雖然本發明的某些實施方式和它們的優點已經在這裡被詳細描述，應當理解，可 進行各種變化、替換和變更，而不偏離如附加權利要求限定的本發明的精神和範圍。此外， 本發明的範圍沒有被規定為限制到此處所描述的工藝、機器、產品、設備、方法以及步驟的 特定實施方式。正如從這個公開中本領域的普通技術人員可以很容易認識到的，根據本發 明可利用執行與此處所描述的相應實施方式實質上相同的功能或者實現與這些相應實施 方式實質上相同的結果的目前存在的或以後將發展的其他工藝、機器、產品、設備、方法或 者步驟。因此，附加權利要求旨在將這樣的工藝、機器、產品、設備、方法或者步驟包括在其 範圍內。
權利要求
一種使用光纖分布式傳感器進行自動校正的溫度測量的方法，所述方法包括以下步驟a.使用初級光源將初級光能注入傳感器光纖中；b.收集處於所述初級光能的拉曼反斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；c.使用次級光源將處於所述初級光能的拉曼反斯託克斯波長的次級光能注入所述光纖中；d.收集處於所述次級光能的拉曼斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；以及e.使用所述初級光能的背散射反斯託克斯信號和所述次級光能的背散射斯託克斯信號來計算溫度。
2. 如權利要求1所述的使用光纖分布式傳感器進行自校準的溫度測量的方法，其中所 述初級光源具有的波長為大約975納米並且所述次級光源具有的波長為大約940納米。
3. 如權利要求1所述的使用光纖分布式傳感器進行自校準的溫度測量的方法，其中所 述計算步驟在不測量或使用微分衰減分布的情況下執行。
4. 一種使用光纖分布式傳感器進行自校準的溫度測量的系統，所述系統包括a. 分布式光纖傳感器；b. 初級光源，其用於從所述分布式光纖傳感器提供背散射反斯託克司頻帶；c. 次級光源，其具有被選擇成與所述初級光源提供的所述背散射反斯託克斯頻帶一致 的波長，所述次級光源從所述分布式光纖傳感器提供背散射斯託克司頻帶；d. 光學開關，其用於在所述初級光源和所述次級光源之間選擇；其中，所述系統基於所述初級光源的反斯託克斯頻帶與所述次級光源的斯託克斯頻帶 的比率來校準並測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行自校準的溫度測量的方法，所述方法包括以下步驟a. 使用初級光源將初級光能注入傳感器光纖；b. 收集處於所述初級光源的拉曼斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；c. 使用次級光源將處於所述初級光源的拉曼反斯託克斯波長的次級光能注入所述光纖；d. 收集處於所述次級光源的拉曼斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；e. 計算所述初級光源的背散射斯託克斯信號和所述次級光源的背散射斯託克斯信號 之間的比率，以在沿所述傳感器光纖的一個或多個位置處產生衰減校正因子；以及f. 使用所述衰減校正因子調節所述光纖分布式溫度傳感器所測量的溫度。
6. 如權利要求5所述的使用光纖分布式傳感器進行自校準的溫度測量的方法，其中由 所述光纖分布式溫度傳感器所測量的所述溫度通過下列操作被測量a. 使用初級光源將初級光能注入所述傳感器光纖；b. 收集處於所述初級光源的拉曼反斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；c. 收集處於所述初級光源的拉曼斯託克斯波長的背散射的光能並測量其強度；以及d. 計算所述背散射拉曼反斯託克斯波長和斯託克斯波長的強度之間的比率。
全文摘要
提出一種自動且連續的方法提高從利用具有不同波長的兩個光源的拉曼背散射得到的光纖分布式溫度測量的精確度，方式是通過選擇兩個源的波長使得初級光源的返回的反斯託克斯分量與次級光源的入射波長重疊，從而抵消了由斯託克斯和反斯託克斯頻帶之間的波長差異產生的不一致的衰減。
文檔編號G01K11/12GK101743460SQ200880024741
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月7日 優先權日2007年7月18日
發明者徐光 , 李鍾 申請人:薩索特蘭公司