（电力电子与电力传动专业论文）bdofs在稠油开采中的应用技术研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fb d o f si nt h eh e a v yo i lm i n i n g m a k u n ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g p i n g a b s t r a c t u n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r er e a l - t i m em e a s u r e m e n t so fh e a v yo i lt h e r m a l r e c o v e r yw e l l si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rp r e v e n t si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s st h ed r i l lt u b i n g d r i v ep i p ed a m a g e ，t h eo p t i m i z e dp r o d u c t i o n ，e n h a n c e dt h eo i lo u t p u t ，r e d u c ep r o d u c t i o n c o s t s ，b u tt h ep o o ru n d e r g r o u n dl o g g i n ge n v i r o n m e n ts u c ha sh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i 曲 p r e s s u r e ，s t r o n gr a d i a t i o n ，h e a v yc o r r o s i o n , w h i c hc a u s e st h es u b s u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h e p r e s s u r er e a l - t i m ee x a m i n a t i o nw o r kh a sb e e nd i f f i c u l tp r o b l e m si nt h es i d eo fr e s e r v o i r m o n i t o r i n g d i s t r i b u t e df i b e ro p t i cs e n s o rb a s e do nf i b e rb r i l l o u i ns c a t t e r i n gh a v em a n y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sb e a r i n gh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，h i g hs e n s i t i v i t yg o o d a n t i - i n t e r f e r e n c ea n dr e a l - t i m ea n dd i s t r i b u t i o ne x a m i n a t i o n ，h a v st h eb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h ep a p e rf i r s ti ns t u d i e st h ed i s t r i b u t i o n a lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m s g r o s ss t r u c t u r ea n di nt h ed e n o i s i n gp r i n c i p l ef o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h eb r i l l o u i ns c a t t e r e d s i g n a l sc h a r a c t e r i s t i c ，t oi n c l u d e st h en o i s eb r i l l o u i ns c a t t e r e ds i g n a lt o u s et h ew a v e l e t t r a n s f o r m a t i o ne l i m i n a t i o nn o i s e ，t oc a r r yo nt h eg a u s s n e w t o nc u r v ef i r i n ga f t e rt h e d e n o i s i n gs i g n a l ，t h e na c t sa c c o r d i n gt ot h eb r i l l o u i nf r e q u e n c yd e v i a t i o na n dt h ed y n a m i c d i f f r a c t i o ng r a t i n gf r e q u e n c yd i f f e r e n c ec h a n g eq u a n t i t ya n dt h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r e f u n c t i o n a lr e l a t i o n ss o l u t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r e a n da p p l i e st h ea b o v em e t h o di n t h eo p t i c a lf i b e ro i lw e l ll o g g i n gv e r i f i c a t i o nt e s td a t a , s o l v e st h et e m p e r a t u r ee x a m i n a t i o n d a t a a c c o r d i n go b t a i n e dt e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n sh e a tt r a n s f e rb a s i ct h e o r y , t h r o u g hw e l l b o r ei n n e re n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r e m ，m a s s c o n s e r v a t i o nt h e o r e ma n d m o m e n t u mc o n s e r v a t i o nt h e o r e m ，e s t a b l i s hh e a v yo i lt h e r m a lr e c o v e r ys t e a ms t i m u l a t i o n w e l l sv a r i o u ss t a g e sh e a tb a l a n c er e l a t i o n s h i p t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ei st oc o n s i d e rt h ec a s eo f s t e a mi n j e c t i o nt oc h a n g et h es i t u a t i o n ，t h eu s eo fs u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，t h ei n t r o d u c t i o no f t i m e s t e pf u n c t i o n ，s ot h a tc h a n g e si nt h ep a r a m e t e r so fs t e a mi n j e c t i o n ，n on e e dt oc a l c u l a t e ， b u td i r e c ti n j e c t i o no fs t e a mu n d e rt h en e wp a r a m e t e r st ob ec a l c u l a t e d c a l c u l a t i o no fh e a t t r a n s f e ri nt h ew e l l b o r e ，t h er a d i a lh e a tf l o wn u m e r i c a ls o l u t i o n ，u s i n ge x a c ts o l u t i o n so ft h e t i m ef a c t o r , m o d i f i e dt h ee x p r e s s i o no ft i m ep a r a m e t e r s ，i m p r o v e dt h es t e a mi n j e c t i o n w e l l b o r ep h a s e f o r m a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，t om a k et h em o d e lm o r er e a l i s t i c i nt h es o a k i n gs t a g ead e t a i l e da n a l y s i so ft h ep r o c e s so fs o a k i n gt h es t e a mr e s e r v o i ra n d t h ee n e r g yc h a n g ei nt h ef o c u so fh e a tl o s sa n dt e m p e r a t u r eu n d e rt h ep r e m i s eo ft h e e s t a b l i s h m e n to fs o a k i n gs t a g es h a f tf o r m a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e la n dd e r i v ea r e a s o n a b l es o a k i n gt i m ec a l c u l a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rb ys t u d y i n gt h ed o w n h o l et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em o n i t o r i n g t e c h n o l o g y , t h ed e t a i l so ft h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r - b a s e dd i s t r i b u t e dl o g g i n gi n h e a v yo i lr e c o v e r yi nt h es t e a mi n j e c t i o np r o c e s st oj u d g el e a k a g ep o i n t ，v a p o ra b s o r p t i o n p r o f i l ea n dt h ea p p l i c a t i o no ff l u i dl e v e ld e t e c t i o n k e y w o r d s ：t h e r m a lr e c o v e r yo fh e a v yo i l ；d i s t r i b u t i o n a lo p t i c a lf i b e r o i lw e l ll o g g i n g ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 里塑担 日期： 加舟 万月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：矽后年歹月多日 日期：j o j 矿年 石月多日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第1 章前言 1 1 1 课题来源 稠油热采井井下温度和压力的实时数据对预防生产过程中的油管套管损坏、提高产 量、降低成本、优化生产等具有重要意义。因此，井下温度和压力的实时监测工作一直 是油藏监测的重点，但是由于热采井井下具有高温、高压、电磁干扰性强、化学腐蚀性 强、环境复杂恶劣等特点，又使井下温度和压力的实时监测工作成为了油藏监测长期以 来的难点【l 】。基于布里渊散射的分布式光纤传感( b d o f s ：b r i l l o u i nd i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rs e n s o r ) 测量系统不仅具有耐高温高压、灵敏度高、抗干扰性强的特点并且能够实 现温度和压力( 注：基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统直接测量的是沿传感光 纤的温度和应变的变化，由于应变和压力存在明确的关系，在本文中将统一用压力表述) 的实时分布监测，是一种具有广阔应用前景的测量技术。为此，国家“8 6 3 高技术研 究发展计划专门将此立项研究( 基于保偏光纤布里渊散射的分布式测井技术) 。 本课题与“8 6 3 ”计划预期目标中的三个部分相关：1 、通过理论研究和实验研究， 建立分布参数监测模型及快速的信息处理软件平台，对采集的信号进行一系列处理求 解；2 、根据求解的井筒内一维温度信息建立蒸汽吞吐过程中井筒一地层温度场的二维 模型；3 、分析保偏光纤分布式测井得到的信息，调整及优化稠油开采过程。 1 1 2 课题研究意义 我国是稠油资源大国，现在已经勘察到的稠油储量就高达十几亿吨，是世界著名的 稠油区。进入2 1 世纪，井下智能实时连续监测技术、采油技术的自动化管理及稠油热 采等新技术的广泛推广对井下参数的监测提出了新的更高的要求【2 】。准确的温度和压力 信息可以优化生产、提高产量、降低成本，最为重要的是可以预防生产过程中油管套管 的损坏【3 。 油井内温度和压力参数的测试，其可靠性和准确性是至关重要的。传统的电子传感 器由于只能在某一时间内测量某一个点的温度，并且因其抗电磁辐射能力差、可靠性低 等原因使其无法在井下恶劣环境中长期可靠的工作。光纤传感器不仅具有精度高、轻巧、 能承受井下极端条件的优点，而且集传感与传输于一体，一次测量就可获取整个光纤分 布区的一维分布图，并且能够测得长达几十公里的信息，因此整体成本大大降低。基于 第1 章前言 布里渊散射的分布式传光纤感技术不仅具有与被测量介质有较好的亲和性的优点，而且 能够实现对温度压力参数的长距离精确测量，满足井下高温高压等恶劣环境的监测要 求，因此，具有重要的研究意义和广阔的市场前景【3 】 1 2 课题国内外研究现状分析 结合论文的主要研究内容，我们主要从光纤微弱信号处理技术、光纤测井技术的应 用及稠油热采井井下环境研究这三个方面来综述其国内外研究现状。 1 2 1 光纤微弱信号处理技术的研究现状 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，产生的布里渊频移一般只有11 g h z 左右， 而且该传感系统产生的信号十分微弱，散射脉冲功率仅为纳瓦级，这对处理信号提出了 很高的要求。现在，虽然国内外有很多比较成熟的用于光纤微弱信号处理的方法，但是 在实际处理信号的过程中，时频分析法和小波变换法采用的较多，发展也较为成熟。 美国科学家使用脑磁描记法来得到实时数据，并且利用f p g a 和d s p 等硬件进行 数字信号处理，美国研制的该系统具有在线检测和实时处理的强大功能【4 1 。 浙江大学针对传感散射光信号的特点，对传统的希尔伯特变换信号处理方法进行了 改进，提出基于经典小波变换的光相干检测方法。该方法首先利用白发布里渊散射光与 产生频移的参考光进行相干检测，然后应用小波变换对相干检测后的散射光进行幅度解 调，从而提高布里渊散射光的信噪比【5 】。 华东理工大学研究的光纤分布式测温系统以数字信号处理器为核心，该系统不仅实 现了采样速率高达1 0 0 m b p s ，保证光纤温度传感器输出信号的高速数据采集，而且采 用数字平均的处理方法消除随机噪声，达到了降低噪声的目的【6 】。 尽管现在关于微弱信号处理的方法很多，也比较成熟，但由于存在采集次数与处理 速度之间的矛盾及光纤的偏振相关性等原因，检测处理后的信号仍然存在或多或少的波 形失真或含有噪声的情况。 1 2 2 光纤测井技术的应用现状 目前，光纤测井技术在国外的油田已经得到了广泛的应用。英国的s e n s o m e t 公司 专门从事分布式光纤温度和压力传感器的研究开发，公司的关键技术是s b s ( s t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 的分布光纤温度、压力测量系统。该公司还建立了世界领先的油井 监测系统，可以监测井下出砂、防砂工具及电泵的工作状态。s e n s o m e t 公司还拥有光纤 2 中国油 学( 牛束) 倾l 学位论i 注射专利技术，该系列光纤能够在6 5 0 c 的高温工作口i 。 该公司提出了基于分布式传感器系统的数字油田( d t s d i g i t a l o i l f i e l d ) 概念，基于 分布式传感系统平台，町对油气领域的多个子领域和参数进行测量。s e n s o m e t 公司的 d t s f r 传感器是现今唯一的窀间分辨力低于1 米的d t s 。图l 一1 为d t s 测井系统的组成结 构图嘲。 图i - 1d t s 测试系统结构圈 f i g i - 1 d t s t e s ts y s t e ms t r t l c h l r e 近几年国内对光纤传感器的研究也越来越多。南开大学光电子课题组承担“井下石 油温度、压力多点光纤光栅传感系统”的国家自然科学基金项目，他们完成了光源部分 的研制及传感器的设计与实验，研究了传感器在井下温度压力监测方面的应用以及地面 解嘲系统o i 。杨三青教授专门从事并下温度、压力复合传感器的研究，探究出其基本原 理和构造 。石油学报论述了利用长周期光栅与光纤布拉格光栅帽结合的传感器系统对 井下温度压力实现实时检测的过程】。 国内关于光纤测井技术的研究只是提出总体方案，还没有成熟的技术，这些研究对 于满足我国油田生产测井总体上的迫切需求还有很大差距。 12 3 稠油热采井井下环境研究现状 从6 0 年代兴起注蒸汽丌采稠油热潮开始，r a m e y 和e d w a r d s o n 等学者就对注蒸汽 井井筒热传递理论进行了研究，建立了简化的井筒传热模型，提出了著名的r a m e y 公 式，该公式到目前仍被广泛应用。四十多年来国内外学者对注蒸汽井注入井筒动态预测 又进行了大量的深入研究，发展了许多综合各种不同气液两相流相关式的蒸汽注入井筒 动态预测模型。其巾鼋要的有1 9 8 9 年s a g a r 在考虑了动能影响下，将r a m e y 公式运于 多相流的研究。中国的李颖川等学者在2 0 0 1 年，对气井内温度压力进行综合数值预 测的模拟川。 3 鲨。 2_1，。、_l辖一戳l 赫e 守3 第1 章前言 在国内，随着对热采技术的的进一步研究，热采井注采温度与压力分析技术有了长 足的发展。林日亿等人使用目标函数，采用穷举法求解，建立了注汽优化的稠油热采井 井筒模型，进行了实例计算和分析【1 4 1 。石油大学工程系联合胜利石油管理局采油工艺研 究院，实现了对蒸汽吞吐井流入动态的预测【l5 1 。 对于复杂的稠油井下温度和压力场的深入研究，不仅对研究井下环境的学术领域有 重要意义，而且能够为更好的优化生产、提高原油采收率和产量提供科学依据。 1 3 课题主要研究的内容 课题的主要研究内容有： 1 、根据布里渊散射的基本原理，确定传感系统的总体设计方案并分析布里渊散射 频移及保偏光纤中的动态光栅与温度压力之间的关系，通过求解联立矩阵，同时求解出 温度和压力值，从而解决温度压力交叉敏感问题。 2 、针对布里渊散射机理和布里渊散射信号的特点，对布里渊散射信号进行小波分 解、高频系数的阈值量化及信号重建等消噪处理。 3 、根据布里渊散射信号的特点并对多种拟合方法进行比较，最终确定采用 g a u s s n e w t o n 的非线性拟合算法对消噪处理后的布里渊散射信号进行曲线拟合处理。 4 、利用m a t l a b 仿真软件，通过选取合适的小波函数及高频系数的阈值，对实验数 据进行处理，最终求出实验的温度值。 5 、在时间因子修正及考虑注入状况改变的情况下，改进注汽过程的井筒一地层温 度场模型并讨论注入参数对温度场分布的影响。 6 、建立焖井过程中井筒一地层温度场模型，并在此基础上，计算合理的焖井时间、 焖井结束后的平均温度及焖井结束后的加热半径。 7 、研究井下温度及压力监测技术的应用，分析保偏光纤分布式测井技术得到的信 息，调整及优化稠油开采过程。 课题的主要技术难点及创新点有： 1 、选取合适的小波函数、小波分解层数及高频系数的阂值来处理采集得到的含有 噪声的布里渊散射信号，成功去除布里渊散射信号的噪声，并最终求得温度值。 2 、利用分布式光纤温度实时测量技术，在时间因子的修正及考虑注入状况改变的 情况下改进井筒一地层温度场模型。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第2 章分布式光纤温度压力传感系统 2 1 光纤布里渊散射 布里渊散射是布里渊在1 9 2 2 年研究晶体散射谱时发现的一种新的光散射现象，该现 象在1 9 3 2 年得到实验验证。布里渊散射是一种在光纤中发生的非线性过程，它在光纤中 可描述为泵浦波、斯托克斯波和声波之间的相互作用。当激光注入传感光纤后，泵浦光、 斯托克斯光和声波之间相互耦合产生布旱渊散射非线性效应。布里渊散射过程中，光纤 中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。布里渊频移大小、散 射光强度等参量会随着光纤温度和压力的变化而发生变化。因此，可以通过检测布里渊 频移、散射光强的大小得到被测量处的温度和压力的信息，进而实现温度和压力的分布 式测量【1 6 19 1 。 2 2 分布式光纤传感技术 目前关于布罩渊散射传感技术的研究主要有以下三种方法【2 0 】： 1 、基于布里渊光时域分析技术( b o t d a ) 的分布式光纤传感技术 图2 - 1 基于b o t d a 的分布式光纤传感系统框图 r i g2 - 1b a s e do nb o t d a d i s t r i b u t i o n a lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e md i a g r a m 基于该技术的传感系统典型结构如图2 1 所示，该技术最初由h o r i g u c h i 等人提出。 b o t d a 技术采用两个光源分别作为泵浦脉冲光和探测连续光，当探测光与泵浦光的频 差与光纤中某区域的布里渊频移相同时，在这个区域探测光与泵浦光的能量发生转移并 产生布里渊放大效应。由于布里渊频移与温度和压力存在线性关系，因此，对两个光源 的频率进行连续调节，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以得到光纤 各区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，进而得到温度和压力信息，从而实现分 布式测量【2 u j 。 5 第2 章分布式光纤温度压力传感系统 2 、基于布里渊光时域反射技术( b o t d r ) 的分布式光纤传感技术 图2 - 2 基于b o t d r 的分布式光纤传感系统框图 r i g2 - 2b a s e do nb o t d ro p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e md i a g r a m 基于b o t d r 的分布式光纤传感系统基本框图如图2 2 所示。在b o t d r 系统中， 当脉冲光在传感光纤中传输时，在脉冲光发送端可以检测到布里渊散射光，布里渊散射 光的强度提供对光纤衰减的测量，脉冲光与背向布里渊散射光之间的时间延迟可以实现 对光纤位置的测量。由于布里渊散射光与温度和压力有关，因此通过得到的布罩渊散射 光就可以求解温度和压力【2 0 】。 3 、基于布里渊光频域分析( b o f d a ) 的分布式光纤传感技术 图2 _ 3 基于b o f d a 的分布式光纤传感系统框图 f i g2 - 3b a s e do nb o f d a d i s t r i b u t i o n a lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e md i a g r a m 基于该技术的传感系统典型结构如图2 3 所示，该技术最初由德国的d g a r u s 等人 提出。b o f d a 也是利用布里渊频移来实现温度和压力的测量，但不是采用传统的光时 域反射法测量空间位置，而是采用通过求解网络分析仪中传感光纤的复合基带传输函数 来实现定位的。 要测量传感光纤复合基带传输函数，探测光要通过频率可调的信号源进行幅度调 制，然后在耦合器的两个输出端同时检测泵浦光和探测光的强度。最后，通过网络分析 仪就可以得到基带传输函数 2 0 】。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 分布式光纤温度压力传感系统整体方案 在广泛分析和研究了国内外关于布里渊分布式光纤温度压力传感技术发展状况的 基础上，结合本课题的实际要求，采用适合本课题要求的光纤温度压力传感系统的整体 设计方案，其系统方案框图如图2 4 所示【2 1 2 3 1 。 放火脉冲光 射频信号 图2 - 4 基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统原理框图 f i g2 - 4d i s t r i b u f i o n a lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mw h i c hs c a t t e r sb a s e do nb r i l l o u i n 窄线宽激光器发出的激光由耦合器分成本地参考光和探测光，其中探测光调制成频 率为2 0 k i - i z ，脉宽为l o n s 的脉冲光，经掺铒光纤放大器放大、滤波后注入5 k m 的保偏 传感光纤，从而在保偏光纤各点产生布里渊散射信号。 假设激光的中心频率为，布里渊散射频移为，则后向布里渊散射光的中心频率 为- 。另一路本地参考光在相干检测前需经过微波电光调制，其目的是产生一个接 近于布里渊频移的频率变化屹，其下边带的中心频率为一u ，通过滤波器使频率为 一k 的信号输出，与后向布罩渊散射信号进行相干检测。 相干产生的差频信号经过光电探测器后由光信号转变为电信号，与频率在一定范围 内扫描变化的本地射频信号进行电外差检测。当差频信号的频率与射频信号的扫描频率 相同时，会得到一个直流信号，另外还会产生一些低频信号成分。这些信号经过信号调 7 第2 章分布式光纤温度压力传感系统 理电路的处理后进入高速的数据采集卡进行数据采集，采集得到的信号输往计算机进行 存储和处理。计算机处理就是检测电外差相干检测产生的直流信号成分，因为该直流信 号在采集的信号中具有最大的幅值，所以可以通过消噪后曲线拟合，找出拟合曲线峰值 的方法找到这个直流信号以及它对应的扫描频率，将扫描频率与屹相加就可得到光纤某 点处的布里渊频移。该点处的位置可以由后向散射光返回入射端的时间来确定，再通 过布罩渊频移与温度及压力之间的函数关系，就可以得到温度及压力信息【2 4 1 。 2 4 布里渊频移与温度和压力的关系 为了确定沿光纤分布的温度和压力信息，需要首先确定布里渊散射光中的某些参量 与温度和压力的调制关系，从而通过测量布里渊散射光的参量来确定温度和压力。 布里渊频移的大小通常由式( 2 1 ) 确定【2 5 - 2 6 ： = 2 n v 九( 2 - 1 ) 式中：布里渊频移，g h z ； 吃光纤中的声波速度，m s ； 九入射光在真空中的波长，朋； 疗光纤纤芯折射率。 由式( 2 - 1 ) 可知，布里渊频移与光纤材料中的声速有关，而光纤材料中声速受到光纤 材料的热光特性和弹光特性的影响，因此光纤中的温度和压力变化都会引起布里渊频移 的变化。光纤中的声速可表示为： 屹刮揣 亿2 ， 其中：e 为杨氏模量，茁为泊松比，p 为光纤密度，将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 得： = 等蔬 p 3 ， 当光纤所受的温度和压力发生变化时，光纤的热光效应和弹光效应会引起光纤纤芯 折射率n ，杨氏模量e ，泊松比k 的变化，热膨胀效应会引起光纤密度p 的变化，可以 将n ，e ，r ，p 分别表示为温度和压力的函数，因而式( 2 - 3 ) 可以由式( 2 4 ) 表示： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( t , e ) - 2 n ( t , e ) - 忘焉麓磊 c 2 q 2 4 1 布里渊频移与温度的关系 在暂不考虑压力对布里渊频移影响的条件下，分析布里渊频移与温度的关系。即假 设压力保持不变并令压力s = 0 ，由式( 2 4 ) 可以得到布里渊频移随温度的变化关系如公 式( 2 5 ) 所示。 峒2 警而湍 ， 当温度变化量较小时，各参数随温度的变化可用一次项近似的泰勒级数展开式表示 并将v b ( t ) 在r o 处做准确到一次项的泰勒展开，可得至l j ( 2 6 ) 式： ( 丁) v b ( t ) 1 + ( ，1 7 + a p t + a e r + 砖) 丁】 ( 2 - 6 ) 其中：知r = 器，嘛= 舞，屿= 器，屿= 等篱。 将光纤折射率与温度、弹性模量与温度、泊松比与温度、光纤密度与温度存在的关 系代入( 2 6 ) ，由此可以得到布里渊频移随温度的变化关系为： v b ( t ) v b ( t o ) ( 1 + 1 1 8 x 1 0 q a t )( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 表明，在不考虑压力的情况下，布里渊频移与温度之间成近似线性关系。 2 4 2 布里渊频移与压力的关系 同理，在假设传感光纤所受的温度不变的前提下，考虑压力发生改变时，传感光纤 中的弹光效应不仅会使折射率改变，而且会使光纤内部原子间的相互作用改变，从而使 杨氏模量和泊松比发生变化，因此光纤压力改变也会引起布里渊散射谱的频移等参数发 生变化 2 7 - 2 8 】，由式( 2 4 ) 可以得到压力与布里渊频移的关系： ( t o ，占) ：2 n ( t - o , e ) 丽赫辫 仁8 ， ( 1 + r ( 毛，占) ) ( 1 2 r ( 瓦，占) ) p ( 兀，占) 、 由于光纤的压力变化属于微弱变化，在c o = 0 处对各参数与应变的关系式做保留一 次项的泰勒级数展开，并将v b ( e ) 在占= 0 处准确到一次项的泰勒展开，可得到布里渊频 移随压力s 的变化的函数： 9 第2 章分布式光纤温度压力传感系统 ( 占) ( 岛) 1 + ( 唧+ 所+ a e r + 辟) 占】 舯岭糯，帆= 瑞，战= 岸踹端， 取典型值血。= - 0 2 2 ，见= 0 3 3 ，她= 1 4 9 ，幄= 2 8 8 得到： ( 占) ( 岛) ( 1 + 4 4 8 占) ( 2 1 0 ) 式表明，布罩渊频移随光纤压力成近似线性变化。 2 5 保偏光纤中的动态光栅模型 ( 2 - 1 0 ) 一般的轴对称单模光纤，可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模 式，若光纤是完全轴对称的形状( 几何形状为理想圆，折射率分布均匀) 这两个正交模 式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在传播过程中偏振态不会发生变化。保偏光 纤是通过一定的光纤制作工艺，产生强的应力双折射而得到偏振态的保持。这样保偏光 纤芯形成了两个相互垂直、作用方向相反的应力轴。 布里渊散射声波传输速度只与光纤的纵向特性相关，因此，保偏光纤中两应力主轴 激起的声波频率存在下式关系： 2 n x v = ：2 n y v , , ( 2 - 11 ) 以a ， 即 n x j x = f l y p ( 2 - 1 2 ) 其中：设和，2 ，分别为保偏光纤两个偏振主轴方向的折射率，六和分别为x 偏 振和y 偏振散射光的频率。 图2 - 5 动态光栅产生原理示意图 f i g2 - 5t h ed y n a m i cd i f f r a c t i o ng r a t i n gh a st h ep r i n c i p l es c h e m a t i cd r a w i n g 动态光栅产生原理如图2 - 5 所示。频率相同，偏振方向相同的两束光波，和，：在保 偏光纤中相向传播，将会发生干涉并且在保偏光纤中形成动态光栅。偏振方向与1 1 1 2 1 0 - q 希 xj罗 x l 厂 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 正交的探测光j ，射入保偏光纤，当满足式( 2 - 1 2 ) 条件时，会被动态光栅反射，并产生偏 振方向与，相同的光波，。设，和，：的偏振方向与保偏光纤的x 偏振主轴方向重合，则 l 和，。的偏振方向为保偏光纤的y 偏振方向。 满足上述条件则有：k 2 2 薏六 ( 2 - 1 3 ) 动态光栅的频差由保偏光纤的双折射决定，并可由下式表示： 厶= 一六= 昙六 其中：保偏光纤的双折射率为b = n ，一n ，。 2 6 温度和压力信号的解调方法 对于温度和压力的交叉敏感问题，1 9 9 9 年s m i t hj e f 等人对p a r k e rt r 的理论和实 验方法进行了改进【2 7 1 ，他们的研究结果表明布里渊频移随光纤的温度和压力近似呈线性 变化，布里渊功率随温度的上升而近似线性增加，随压力的增加而近似线性下降。 本课题采用保偏光纤作为传感光纤，当对保偏光纤施加纵向压力或保偏光纤所处的 环境温度发生变化时，由于光弹效应，保偏光纤的折射率会变化，从而改变保偏光纤的 双折射率b ，动态光栅的频差由下式决定： 虬：鲤( 2 - 1 5 ) hy 保偏光纤双折射的变化量衄与温度和压力的变化量成比例，也即是动态光栅的频 差变化量与温度和压力变化量成比例。因此，只要通过测量动态光栅的频差变化量，就 可以得到温度和压力的信息。 保偏光纤中动态光纤的频差变化量观同温度和压力变化量的关系为： n 晖= c ；s + c f t a t q 一1 6 ) 其中：哆为动态光栅频差变化量的压力系数，口为动态光栅频差变化量的温度系 数。 当保偏光纤所处的环境温度升高时，保偏光纤会释放残余的压力，从而降低双折射， 第2 章分布式光纤温度压力传感系统 因此c ；为负数。当沿保偏光纤轴向施加作用力时，在纤芯中产生附加应力提高双折射， 因此c ；为正数。 保偏光纤中布里渊散射光的频移变化量与保偏光纤所受纵向压力和所处环境温度 的变化呈线性关系： = c ：a 6 + c ：丁( 2 一1 7 ) 其中：g 为布罩渊频移的压力系数，c ：为布里渊频移的温度系数。 当温度或压力增加时，布里渊频移都会增加，因此和c ：都为正数。 联立( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 两个式子，温度和压力的变化可以由方程组( 2 - 1 8 ) 确定： 阱毒杀眨爿瓮 亿 l = 一i iz - _ l l 丁jg q 一口gl _ gqi 【- 钣j p 7 由于对频率的测量可以达到很高的精度，并且动态光栅频差瓯和布里渊散射频移 随温度和压力线性变化的趋势不同，因此通过测量保偏光纤中动态光栅频差的变化 量和布罩渊散射频移的变化量可以有效地抑制交叉敏感，实现温度和压力的同时传感。 图2 - 6 ( a ) 为在温度作用下布里渊频移和动态光栅频移的变化情况，图2 - 6 ( b ) 为在压 力作用下布里渊频移和动态光栅频移的变化情况。随着温度和压力的增加，布里渊频移 的变化趋势一致，但动态光栅频率变化方向相反。因此利用由布里渊频移和动态光栅频 率组成的方程组可以实现温度和压力的同时测量。 ( a ) 温度作用 ( a ) t e m p e r a t u r ef u n c t i o n 1 2 m h z 动态蠢移 布里渊频移 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( b ) 压力作用 ( b ) p r e s s u r ef u n c t i o n 图2 - 6 温度和压力作用下布里渊频移和动态光栅频率 f i g2 - 6u n d e rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ef u n c t i o nb r i l l o u i n f r e q u e n c yd e v i a t i o na n dd y n a m i cd i f f r a c t i o ng r a t i n gf r e q u e n c y 2 7 本章小结 本章首先介绍了分布式光纤传感技术并确定本课题传感系统的总体设计方案，从理 论上分析了温度和压力与布里渊频移和动态光栅的变化关系，确立了它们之间的函数表 达式。针对存在温度和压力交叉敏感的问题，通过将布里渊频移和动态光纤的频差变化 量与温度压力的函数关系式联立。通过求解联立矩阵，同时求解出温度和压力值，进而 解决温度压力交叉敏感问题。 1 3 动态蠢率脏 o 0 o 0 0 m 第3 章分布式光纤信号处理 第3 章分布式光纤信号处理 由于实验条件限制，目前分布式光纤传感系统仅对布里渊散射频移进行测量。所以， 实验是在压力保持不变的情况下，根据测量的布里渊散射频移求解温度。布里渊散射的 理论计算模型是研究信号采集与处理的前提。因此，首先进行信号模型的建立并对信号 特点进行分析。信号模型建立的首要并且关键的一步就是对布里渊散射过程进行数值模 拟，建立合理的布里渊散射理论计算模型。( 注：本课题传感系统的搭建及实验由北京 航空航天大学完成，本文中要处理的布里渊信号数据均由北京航空航天大学提供。) 3 1 布里渊散射谱的数学模型 目前，对布里渊散射的研究主要分为两个方向，一是对自发布里渊散射的研究，二 是对受激布里渊散射的研究。 本课题主要是对自发布里渊散射谱进行研究。在理想情况下布里渊散射频谱具有 l o r e n t z 线型，但由于激光脉冲具有g a u s s i a n 谱型分布，而且激光脉冲对布里渊散射频 谱具有谱展宽作用，所以实际得到的布里渊散射频谱为l o r e n t z 线型和g a u s s i a n 线型的 卷积，频谱形状表现为v o i g t 线型。 l o r e n t z 线型可用( 3 1 ) 式表示： 砸) = 等。石丽a v l ( 3 - 1 ) 万刚y y 1 一十v ，一 式中；彳归一化常数( 归一化后值为1 ) ； 屹中心频率； 屹谱线的半高全宽( f w h m ) 。 g a u s s i a n 线型可用( 3 2 ) 式表示： g ( v ) 甜季氅e x p 竺掣】( 3 - 2 ) n 死v o v 0 式中：谱线的半高全宽( f w h m ) ，其它各符号的意思同式( 3 1 ) 。 v o i g t 线型为l o r e n t z 线型和g a u s s i a n 线型的卷积，v o i g t 线型表达式为： y ( y ) = 三( y ) 木g ( ，) = i l(v。)g(v-i)dr00( 3 - 3 ) r 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由式( 3 3 ) 可知v o i g t 线型的解析表达式无法直接求出，只能采用数字积分的方法进 行求解，计算复杂且计算量很大。v o i g t 线型的主要参数有心、a v l 、，其中屹决 定v o i g t 线型的中心位置，a v l 决定v o i g t 线型的形状。图3 - 1 3 3 为a v l 取 不同值时得到的v o i g t 线型与l o r e n t z 线型和g a u s s i a n 线型的比较。 归 化 功 塞 值 归 。 化 功 塞 值 图3 - 1a v l = 1 0 时的线型 f i g3 - 1a v l | v g = 1 0 t i m