井下光纤分布式流量监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感器领域，尤其是非浸入式井下光纤分布式流量监测领域。
【背景技术】
[0002] 在油田领域，流量的测量可以为生产、测井动态监测，为石油生产和传输特性提供 极其重要的参数，井下具有高温、高压等十分恶劣的环境，传统的电子流量计易出现故障， 而现有的光纤涡轮、涡街流量计是一种浸入式技术(如《分布式光纤流量测量装置与方法》 发明专利)，打破原有的系统流场，测量结果具有局限性。
[0003] 《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利测试原理如下： 通过利用一根传感光纤将多个待测流场管道连接在一起，在每个流场里分别设置一个 障碍物，流体遇到障碍物后将形成有规律的两列旋转方向相反的并排旋涡称为卡门旋涡。 此旋涡频率与流速成正比，解调基于Φ-光时域发射计的干涉机理，干涉信号反映出传感 光纤的感应振动频率，此传感光纤受旋涡冲力的作用而作受迫振动，传感光纤中的产生的 后向散射光信号相位也就此振动调制，通过解调出旋涡频率，从而可求出流场的流速。
[0004] 《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利不足之处： (1)流量的测量必须要在流场里设置障碍物，打破原有的系统流场。
[0005] (2)采用散射原理，解调信号的信噪比较低，低流速难以测量准确。
[0006] 《非浸入式井下光纤流量监测系统》虽然实现了流量的非介入式测量，但其还是点 式测量，介于解调系统的容量以及信号串扰等因素限制其在井下流量真正意义上的分布式 测量。
[0007] 《光纤分布式声波监测系统》提出了基于背向瑞利散射光干涉的光纤分布式声波 监测，通过光路优化设计，实现某单位长度的背向瑞利散射和下一个单位长度的背向瑞利 散射的干涉，通过相应的解调算法，解调出作用在某一时间段脉冲内的声波脉冲信息。其系 统采用光纤散射原理致使系统的信噪比较低，其专利中的方案可以实现直接作用在光纤上 的较大声压的声波信号，并不具备检测井下管中流量信息。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术存在以上不足，本发明提出了一种基于偏振控制的3X3耦合器解 调的井下光纤分布式流量监测解调装置。
[0009] 本发明解决技术问题所采用的技术手段是：一种井下光纤分布式流量监测系统， 它包括超窄线宽激光器，超窄线宽激光器发出的超窄线宽激光经声光调制器调制成脉冲脉 宽为τ，周期为T的脉冲激光，脉冲激光序列依次经过第一光放大器和超窄带宽第一光滤 波器后进入第一环形器的C 11端，脉冲激光序列自第一环形器的C η端经过C 13端注入长为L 的传感光纤，传感光纤中的背向瑞利散射光返回到第一环形器的C13端，自第一环形器C12端 输出的背向瑞利散射光经过第二光放大器进入到超窄线宽第二光滤波器后，背向瑞利散射 光经偏振控制器后进入第二环形器C 21端，背向瑞利散射光经过第二环形器C 23端进入3 X 3 耦合器的B11端，经过3X3耦合器分束到B 14端、B 15端和B 16端，由3X3耦合器B 14端发出 的背向瑞利散射光经过长度为L1的光纤到达第一法拉第旋转镜；由3 X 3耦合器B 15端发出 的背向瑞利散射光经过长度为1^的光纤进入到达第二法拉第旋转镜；其中迈克尔逊干涉仪 的臂长差S=L 1-L25S 3X3耦合器B 16端发出的背向瑞利散射光送入第四光探测器，第四光 电探测器将电信号送入到光纤分布式流量解调系统，根据第四光探测器光强的大小动态调 整偏振控制器的电压大小以达到控制瑞利散射的光偏振状态。
[0010] 两束背向瑞利散射光经法拉第旋转镜返回的背向瑞利散射光在3X3耦合器处发 生干涉，背向瑞利散射光的干涉信号经过3 X 3耦合器的B12和B 13分别进入到第二光电探测 器和第三光电探测器，背向瑞利散射光的干涉信号经3X3耦合器的B11进入第二环形器的 C23端，经第二环形器的C22端，进入第一光探测器。第一光探测器、第二光电探测器和第三光 电探测器的电信号同时到达光纤分布式流量解调系统，进行3X3耦合器相位算法的解调， 完成相应位置上的传感信号的相位的变化解析。
[0011] 本方案的具体特点还有，所述传感光纤是直接将光纤以平行于油管轴线的方式铺 设在油管外壁，此方案只能感应径向管壁振动，如图2所示。
[0012] 所述传感光纤是将光纤按照等间距的螺旋线方式缠绕在油管外壁，此方案感应管 壁径向及轴向的双向振动，灵敏度较高，如图3所示。
[0013] 所述传感光纤是按照在油管外壁紧密缠绕η圈光纤，光纤之间没有缝隙形成一 个光纤线圈，根据测试需求在油管外壁可以缠绕m个光纤线圈，光纤线圈之间采用串联方 式连接，两个线圈之间的间距E等于迈克尔逊干涉仪的臂长差S，线圈在油管外壁需紧密 缠绕，缠绕圈数η由光纤分布式声波监测解调系统的空间分辨率D s和管道半径R决定，即 n=D^(2JiR)，此方案灵敏度最高，如图4所示。
[0014] 所述超窄线宽激光器，线宽小于1kHz，功率大于50mW (保证返回瑞利散射功率)。
[0015] 所述第一光放大器与第二光放大器波长一致(误差在0. 03nm)。
[0016] 所述超窄带宽激光器和光滤波器波长一致，3dB带宽小于0. 08nm，消除光放大器 产生的ASE噪声，提高真实信号的信噪比。
[0017] 所述第一光放大器、第二光放大器、超窄带宽激光器和光滤波器波长的工作波长 为 1550. 12nm。
[0018] 隔声隔震迈克尔逊干涉仪的设计： 1.使用3 X 3耦合器的两束光路形成迈克尔逊干涉仪，并结合第二环形器完成3 X 3耦 合器解调算法的光路组建。
[0019] 2.将3X3耦合器、法拉第旋转镜、光纤主要器件封装，降低环境噪声、温度对主要 器件的影响，提高解调信号的信噪比。
[0020] 设计隔声隔震装置，将3X3耦合器、法拉第旋转镜及长度为LJP L2的光纤安装在 在隔声隔震装置中组成隔声隔震迈克尔逊干涉仪，具体方法是： 隔声隔震装置包括带顶盖的中空密封壳，在密封壳中固定长方体状的固定体，在固定 体两端固定设置半圆柱体，在固定体上设置有3X3耦合器固定槽以容纳3X3耦合器，在 固定体上设置有法拉第旋转镜固定槽以容纳法拉第旋转镜；在半圆柱体上设置有光纤固定 槽，将光纤缠绕在半圆柱体中的光纤固定槽内，保证光纤缠绕时弯曲损耗降到最低，在本设 计中半圆柱体的直径为3-5cm。在密封壳上设置有入纤口和出纤口，在接入光纤通过入纤口 与迈克尔逊干涉仪固定连接，迈克尔逊干涉仪的出射光纤通过出纤口伸出后固定顶盖，在 密封壳中灌注密封胶。
[0021] 油管内的流体分子到达管壁的时候，它们所具有的动能将有90%以上转化为压力 的形式，引起管壁的振动，从而引起敷设在其表面的光纤内部光信号的变化，此变化已属于 微弱信号，进一步采用基于瑞利散射原理的分布式测试方式，将微弱信号进一步缩小万分 之一倍，真实有用信号淹没在瑞利散射信号中，为了还原真实有用的流量信号，提出了如图 1所示的监测解调装置。
[0022] 根据光纤分布式测量原理可以得出激光脉宽τ与测量精度(单位长度）AL之间 的：Δ L=CX τ/2n，C为光在真空中的速度3 X 10sm/s，η为光纤折射率约为1. 5,在此假设传 感光纤的长度为2km，τ为50ns，AL为5m。因为窄线宽的脉冲激光具有很好的相干性能， 会在脉冲激光经过的单位长度传感光纤范围内激发出瑞利散射光，所以背向的瑞利散射光 在3X3耦合器处干涉，图9 (a)中的第一时间段(时间点1与时间点2之间）的波形是长度 为0~5m传感光纤上的干涉信号，