基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法与流程

本发明属于放射性测量，具体涉及基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法。

背景技术：

1、自然界能产生放射性的核素已发现230多种，其中80多种经过一次衰变就成为稳定的核素，称为单衰变。还有50多种原子序数高于80的放射性同位素，是由几个长寿元素衰变产生的。这些长寿元素经过一次衰变后，形成的产物仍然是放射性元素，再继续发生衰变，如此一代一代衰变下去，直到成为一个稳定的核素为止。通常把衰变起始的那个元素称为母元素，其衰变产物称为子元素。由母元素和子元素组成一个族，叫做放射性系列。已知有3个天然放射性系列，即铀系(或称铀-镭系)、钍系和锕系，它们的衰变如图1所示。还有一个用人工方法得到的镎系。每个天然放射系列中都有一个气态元素(an、tn、rn)，是氡的同位素，通常称之为射气，都能逸散，其中以rn的半衰期最长，故可扩散得较远。因此作放射性测量可以发现由放射性元素组成的矿床。

2、放射性勘探又称放射性测量或“伽玛法”。借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的α、β、γ射线，穿过物质时，将产生游离、荧光等特殊的物理现象，人们根据放射性射线的物理性质利用专门仪器(如辐射仪、射气仪等)，通过测量放射性元素的射线强度或射气浓度来寻找放射性矿床以及解决有关地质问题的一种物探方法。也是寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床的辅助手段。放射性物探方法有γ测量、辐射取样、γ测井、射气测量、径迹测量和物理分析等。放射性勘探方法是探测地表岩土天然放射性异常的分布，研究确定地质构造的工程地球物理勘探方法。工程地球物理勘探(简称工程物探)中的天然放射性异常，是指自然条件下存在于岩层断裂破碎带或岩溶发育带、不同岩性的岩层或地下水露头附近的放射性元素形成的放射性异常。通过地面放射性勘探发现这种异常，再结合有关地质资料进行综合分析，作出定性的地质推断。

3、光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及放射性等物理量都实现了不同性能的传感。

4、光纤被广泛用作放射性传感器和剂量计。得益于快速增长的光纤制造和材料工程，先进的光纤通过使用功能结构和材料取得了显着发展，提高了其作为放射性传感器的检测精度和使用场景。目前基于光纤的放射性传感器有外征和本征光纤放射性传感器，包括辐射诱导衰减(ria)、辐射诱导发光(ril)和光纤光栅波长偏移(ri-gws)。根据放射性特性对相关的先进纤维材料和结构的分类包括石英玻璃、掺杂石英玻璃、聚合物、荧光和闪烁体材料。

5、光纤放射性传感器按其工作原理可分为本征传感器和外征传感器两大类。在本征光纤放射性传感器的传感过程中，光纤本身充当直接与放射性反应的敏感元件。光纤传感器产生的信号表示光纤上的变化，例如结构损伤和布拉格波长漂移，这是材料放射性辐射的结果。对于外征光纤放射性传感器，光纤不直接响应放射性，而是作为连接传感器单元和信号处理端的传输通道。目前，常用的本征光纤放射性传感器包括损伤、光纤布拉格光栅(fbg)、光纤长周期光栅(lpg)和闪烁传感器，而外征传感器主要基于闪烁工作。

6、基于光纤的放射性传感器在用于放射性传感时由于其材料和结构特性而显示出一些独特的优势。首先，光纤传感器体积小，重量轻，感应距离长，弯曲灵活。常用光纤的直径为125μm，先进的多材料多功能光纤的直径为几百微米，使得整个基于光纤的传感器占用的直径小于1mm。此外，纤维具有柔韧性和可弯曲性，非常适合附着在曲面上。因此，光纤传感器可以插入狭窄、弯曲和复杂的环境中，例如飞机内部或人体，适用于放射性传感和监测。此外，与传统的集成传感器相比，光纤衍生传感器提供更广泛的监控范围。传统的集成传感器很难通过逐点检测来监测大面积区域，但对于分布在千米以上很远距离的光纤传感器，使用光时域反射仪(otdr)技术可以沿光纤的每个点进行感测。其次，随着光纤制造技术和相关材料工程的蓬勃发展，光纤已经从基于石英玻璃的包芯结构发展到具有多种材料的复合结构，包括半导体，金属，掺杂石英玻璃，氧化物玻璃，硫属化物玻璃和功能聚合物，丰富的材料和结构为光纤提供了一条新的发展道路，以满足辐射传感器的需求。越来越多的传感材料被直接拉成光纤形状，进一步提高了传感的精度和长度范围。此外，光纤传感器由于采用包芯涂层结构，在大多数环境条件下具有防潮、耐腐蚀和抗电磁干扰的特点。大多数光纤具有纤芯包层结构，此外，可以涂有保护性聚合物层，以避免其功能性芯与水接触，从而使光纤防水。玻璃和涂层聚合物材料即使在高腐蚀性环境中也表现出优异的化学稳定性，增强了光纤传感器的环境适应性。同时，光纤传感器不易受到外界电磁场的干扰，因为常用的光纤材料是非导电的，可以进一步提高传感的信心。

7、此外还出现了光纤布喇格光栅(fbg)传感器等为代表的准分布式光纤传感器，然而光纤布喇格光栅传感器的测点会受到激光带宽的限制。如今，分布式光纤传感技术日渐成熟，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器在放射性测量方面具备好的精度、线性度及重复性，可已经具备了在诸多领域可取代传统放射性测量技术和光纤布喇格光栅传感器的潜力。分布式光纤传感器具备测点密度极高，间距可控，质量小，耐腐蚀，电绝缘，精度高，重复性好的特点。此外，基于其质地较柔软坚韧的特性，它对结构表面的形状有较好的适应性。

技术实现思路

1、本发明目的是提出的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，是把分布式放射性传感光纤或高密度阵列放射性传感光栅光纤组成的放射性传感监测光缆布设在地面以下或海底以下，或呈三维网状的拖曳在海面，或布设在裸眼井下，或布设在套管井的套管内/外，并与复合调制解调仪器相连接，组成一个基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，长期实时测量和监测地面或海底或海面或井下，为测量和监测地面以下、海底以下、海面以下和井下的放射性分布与变化提供不可缺少的手段、系统和方法。

2、为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

3、本发明提出的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，包括具有分布式光纤放射性(drs)传感端口的复合调制解调仪器，以及若干呈三维网状覆盖在测量或监测目标区域或直接布设于测量或监测目标区域内的放射性测量或监测铠装光缆，放射性测量或监测铠装光缆包括用于实时向复合调制解调仪器传递放射性(drs)传感信号的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤，复合调制解调仪器的分布式光纤放射性(drs)传感端口与放射性测量或监测铠装光缆的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤相连接。

4、在一些可选的实施例中，所述复合调制解调仪器具有分布式光纤温度(dts)传感端口，所述放射性测量或监测铠装光缆包括两根用于测量其沿线温度变化的多模光纤，两根多模光纤的尾端熔接成u字型结构，复合调制解调仪器的两个分布式光纤温度(dts)传感端口与放射性测量或监测铠装光缆内的两根多模光纤相连接。

5、在一些可选的实施例中，所述放射性测量或监测铠装光缆的分布式放射性传感光纤包括弯曲不敏感的特种放射性敏感光纤，所述特种放射性敏感光纤包括基于放射性诱导衰减(ria)的光纤放射性剂量计或者基于放射性诱导发光(ril)的典型光纤放射性剂量计。

6、在一些可选的实施例中，所述放射性测量或监测铠装光缆的阵列放射性传感光栅光纤包括包层、纤芯，刻写在纤芯上的高密度阵列光栅，高密度阵列光栅的刻写密度在1米到10米之间；所述阵列放射性传感光栅光纤包括光纤布拉格光栅(fbg)或光纤长周期光栅(lpg)连续光栅光纤。

7、在一些可选的实施例中，所述放射性测量或监测铠装光缆还包括连续不锈钢细管，连续不锈钢细管用于安置所述多模光纤以及特种放射性敏感光纤或阵列放射性传感光栅光纤，放射性测量或监测铠装光缆还包括用于将连续不锈钢细管包裹安置在内的护套或者两层不锈钢铠装钢丝。

8、在一些可选的实施例中，所述测量或监测目标区域为位于地表或海底的三维测量或监测目标区域，若干放射性测量或监测铠装光缆组成适应于三维测量或监测目标区域的三维放射性测量或监测网，三维放射性测量或监测网挖沟埋置于地表或海底的三维测量或监测目标区域，所述三维放射性测量或监测网的形状包括矩形网格状或同心圆状中的任意一种。

9、在一些可选的实施例中，所述测量或监测目标区域为位于海面放射性数据采集船尾端的移动海面区域，若干放射性测量或监测铠装光缆在5米到50米的等间距条件下拖曳在海面放射性数据采集船的尾端组成海面放射性测量或监测网，且每条放射性测量或监测铠装光缆上等间距的设置有用于保持海面放射性测量或监测网在等深度的海面下采集放射性数据的浮标，每个浮标的顶部设置有用于在拖曳作业中对放射性测量或监测铠装光缆进行实时定位和授时的gps或北斗模块。

10、在一些可选的实施例中，还包括用于保持海面放射性测量或监测网撑开的固定撑开装置，固定撑开装置包括若干垂直于海面放射性测量或监测网移动方向的横向支撑杆，在若干放射性测量或监测铠装光缆的头部、中部以及尾部以均等间距固定横向支撑杆，以确保放射性测量或监测铠装光缆之间的横向监测间距不变。

11、在一些可选的实施例中，所述测量或监测目标区域为裸眼井下或套管井下的套管内/外，与复合调制解调仪器相连接的放射性测量或监测铠装光缆直接固定于裸眼井下或套管井下的套管内/外构成井下放射性测量或监测光缆。

12、本发明的另一方面提供一种基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测方法，适用于以上任一所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，具体包括以下步骤：

13、步骤s1：将若干放射性测量或监测铠装光缆呈三维网状覆盖在测量或监测目标区域或直接布设于测量或监测目标区域内的井下；

14、对地表或海底目标区域进行放射性测量或监测时，依据进行放射性测量或监测的地面或海底目标区域的大小设计测网密度，按照预先设计的三维放射性测量或监测网的坐标将放射性测量或监测铠装光缆铺设在地表或海底；

15、对位于海面放射性数据采集船尾端的移动海面区域进行移动放射性测量或监测时，依据数据采集密度要求设计测网密度，将多条放射性测量或监测铠装光缆等间距的拖曳在海面放射性数据采集船的尾端组成海面放射性测量或监测网，将多条放射性测量或监测铠装光缆的头部、中部、尾部等间距的固定在固定撑开装置的横向支撑杆上，沿每条放射性测量或监测铠装光缆的50米或100米处等间距的固定浮标，并在每个浮标上安装对移动的海面放射性测量或监测网进行实时定位和授时的gps或北斗模块；

16、对井下区域进行放射性测量或监测时，将放射性测量或监测铠装光缆直接布设到裸眼井下或套管井下的套管内/外即可；

17、步骤s2：将放射性测量或监测铠装光缆的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤的首端连接到复合调制解调仪器的放射性传感(drs)光纤信号输入端，将放射性测量或监测铠装光缆的两根多模光纤的首端连接到复合调制解调仪器的温度传感(dts)双端光纤信号输入端；

18、步骤s3：启动复合调制解调仪器，对地面或海底或海面或井下布设的放射性测量或监测铠装光缆连续测量或监测的放射性信号进行实时调制解调，同时对两根多模光纤也进行沿线实时测量或监测的温度变化信号的调制解调；

19、步骤s4：将地面或海底或在海面移动的每根放射性测量或监测铠装光缆的坐标加载到三维地形图上，或者将井下布设的放射性测量或监测铠装光缆的坐标加载到三维井轨迹图上；

20、步骤s5：将复合调制解调仪器实时调制解调的沿每条放射性测量或监测铠装光缆的放射性数据根据放射性测量或监测铠装光缆沿线的温度变化进行温度漂移的校正，并在三维地形图或三维井轨迹图上实时输入和显示沿放射性测量或监测铠装光缆经过温度漂移的改正的放射性数据；

21、步骤s6：对放射性测量或监测铠装光缆经过温度漂移改正的实时放射性数据进行三维曲面插值处理，并用不同的色标在三维地形图或者三维井轨迹图上实时显示经过三维曲面插值处理的放射性平面分布数据；

22、步骤s7：对地面三维放射性或海底三维放射性测量或监测区域进行实时测量或监测数据的综合分析，用于对地下或海底油气资源开采和储气储油库内油气资源的注入和采出状况进行实时测量或长期监测，以及对地下或海底以下封存的放射性废物引起的实时长期放射性测量或监测数据进行稳定性和安全性的实时评价，根据局部放射性异常情况及时发出放射性废物运移或溢出的预警或报警；

23、步骤s8：在海面进行大范围三维放射性分布变化的测量或监测时，实时测量或监测海水中放射性含量的变化以应对能出现的海洋中核原料泄露的潜在风险，及时发现并提出预警或报警，同时根据在海面测量或监测到的海水中放射性异常分布区域，寻找或探测海底以下的放射性矿产资源；

24、步骤s9：对裸眼井下沿井轨迹进行放射性数据进行实时监测数据的综合分析，以对井下放射性矿产资源的调查和勘探，寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床；或者对封存地内放射性废物的稳定性和安全性或者潜在的运移或泄露风险进行实时测量与长期监测，及时发出放射性废物运移或溢出的预警或报警。

25、本发明的有益效果：

26、本发明提出了把分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤组成的放射性测量或监测铠装光缆布设在地面或海底或海面或井下，并与复合调制解调仪器的drs光纤信号输入端和dts双端光纤信号输入端相连接，组成一个基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，为低成本、高密度、高精度、高可靠性的地面或海底或海面或井下放射性分布变化的连续测量和长期实时动态监测方法和技术，有效应用于地面、海底、海面、井下放射性异常的连续测量和预防地下或海里放射性废物泄露或运移的安全监测。