CN111765987A - 分布式多段光纤温度测量方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式多段光纤温度测量方法、系统及存储介质，所述方法包括下述步骤：获取整段光纤中原始的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据；根据信号数据的突变点区分高温光纤段和普通光纤段；分别对高温光纤段、普通光纤段的数据以其对应的群折射率进行插值计算，以将数据在距离上对齐；根据所述对齐后的数据分别对高温光纤段、普通光纤段进行温度数据计算；分别获取普通光纤、高温光纤的校准参数；根据所述高温光纤段及普通光纤段的温度数据及对应的校准参数生成最终温度。本发明降低高温环境下分布式光纤温度测量系统成本的同时，消除高温光纤和普通光纤之间的测量偏差，保证分布式光纤温度测量系统的测量精度。

Description

分布式多段光纤温度测量方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式多段光纤温度测量方法、系统及存储介质。

背景技术

油气井温度剖面作为井底产能分布分析的重要数据源，分布式光纤温度测量系统可通过一条贯通油气井光纤采集到整个油气井的温度剖面。在某些地质条件的井下温度非常高，如果使用在低温条件工作的普通光纤，在无法长时间工作。现有技术中为了适应高温环境，将普通光纤换成能耐受高温的高温光纤以保证设备的正常工作。但是高温光纤非常昂贵，如果分布式光纤温度测量系统的传感光纤全部采用高温光纤，则系统的成本非常高。如果将传感光纤换成普通光纤和高温光纤分段连接的方式，高温光纤放在井下，普通光纤放在井上，则可以降低成本，但是由于高温光纤和普通光纤的材料不同，导致在同样的温度环境下，两者的光纤校准参数是不同的,如果采用其中一种光纤校准参数来对系统中所有的传感光纤长度进行配置的话,其它种类的传感光纤上测出来的温度数据就会出现存在偏差，从而影响分布式光纤温度测量系统测量温度的精度。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种分布式多段光纤温度测量方法、系统及存储介质，旨在降低高温环境下分布式光纤温度测量系统成本的同时，消除高温光纤和普通光纤之间的测量偏差，保证分布式光纤温度测量系统的测量精度。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种分布式多段光纤温度测量方法，应用于分布式光纤温度测量系统，所述系统包括分布式光纤测温仪和多段光纤，所述多段光纤分成至少一段高温光纤和至少一段普通光纤交错连接；

其中，所述分布式多段光纤温度测量方法包括如下步骤：

S10，获取整段光纤中原始的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据；

S20，根据信号数据的突变点区分高温光纤段数据和普通光纤段数据；

S30，分别对高温光纤段、普通光纤段的数据以其对应的群折射率进行插值计算，以将每一采样时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在距离上对齐；

S40，根据所述对齐后的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据分别对高温光纤段、普通光纤段进行温度数据计算；

S50，分别将一段普通光纤、一段高温光纤单独与分布式光纤测温仪及高低温温控箱连接以分别获取普通光纤、高温光纤的校准参数；

S60，根据所述高温光纤段及普通光纤段的温度数据及对应的校准参数生成最终温度。

其中，所述插值计算包括如下步骤：

S301，根据采样距离、采样频率以及群折射率计算出每个插值信号数据对应原始信号数据中距离最近相关性最高位置点；

其中：

X为相关性最高位置点；

D为采样距离；

Ng为该光纤的群折射率；

C为光在真空中的速度；

Fs为采样频率；

S302，以所述相关性最高位置点为中心，以该中心左右各N个点依据距离远近加权插值算法计算出插值后对应的信号数据值。

其中，所述校准参数包括每一种光纤在高低温温控箱中设定的高低温温差下获得的温度比例系数调节参数A和偏移补偿参数B。

其中，所述最终温度生成公式如下：

T＝(A*R+B)-273.15；

其中：

T为最终温度；

R为步骤S40计算得到的温度数据，该温度数据具体为反斯托克斯信号数据和斯托克斯信号数据的比值。

本发明还提出一种系统，其中，所述系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述的方法。

其中，所述系统包括分布式光纤测温仪和多段光纤，所述多段光纤分成两段普通光纤及一段高温光纤交错连接，所述分布式光纤测温仪设置有双端口，所述两段普通光纤的一端分别连接分布式光纤测温仪的一个端口，另一端分别连接所述高温光纤。

其中，所述普通光纤和高温光纤之间采用焊接连接。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

本发明的分布式多段光纤温度测量方法，将光纤分成至少一段高温光纤和至少一段普通光纤交错连接，在温度测量过程中区分高温光纤段数据和普通光纤段数据，并依据高温光纤和普通光纤各自不同的群折射率进行插值计算，使得同一时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在空间距离上对齐，并结合高温光纤和普通光纤各自不同的校准参数生成最终的温度。这样，本发明的温度测量方法既使得系统能用于高温环境，大大降低系统的成本，同时又能消除高温光纤和普通光纤之间的测量偏差，保证了系统的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明分布式多段光纤温度测量方法的应用系统的示意图；

图2为本发明分布式多段光纤温度测量方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明多段光纤的连接示意图；

图4为本发明普通光纤和高温光纤原始斯托克斯信号数据示意图；

图5为采样信号在时间上对齐的示意图；

图6为采样信号在距离上不对齐的示意图；

图7为普通光纤和高温光纤采样信号在距离上不对齐的示意图；

图8为普通光纤和高温光纤相邻信号距离不相等的示意图；

图9为本发明高温光纤段、普通光纤段的数据插接计算的流程示意图；

图10为本发明插接计算寻找相关性最高位置点示意图；

图11为本发明插接计算反距离加权插值示意图；

图12为本发明普通光纤和高温光纤数据插值计算后在距离上对齐的示意图；

图13为本发明普通光纤获取校准参数示意图；

图14为本发明高温光纤获取校准参数示意图；

图15为本发明校准前的多段光纤最终温度曲线示意图；

图16为本发明校准后的多段光纤最终温度曲线示意图。

附图标记说明

100-系统，1-测温仪，11、12-端口，2-光纤，21-高温光纤，22-普通光纤，3-温控箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的一种分布式多段光纤温度测量方法，应用于分布式光纤温度测量系统100，如图1所示，所述系统100包括分布式光纤测温仪1和多段光纤2。分布式光纤测温仪1包括激光发射器，光耦合、光电转换放大单元、数据采集处理，测温仪1还可连接计算机来完成数据的处理与显示，也可以直接将数据处理及显示集成在测温仪1上。

所述多段光纤2分成至少一段高温光纤21和至少一段普通光纤22交错连接，所述分布式光纤测温仪1设置有至少一个端口11连接所述普通光纤22的一端。系统还设置有温控箱3，温控箱3为高低温温控箱，用于为光纤提供高温及低温两种具有差值的温度。分布式光纤测温仪1可以做单端口测量，也可以设置双端口如图1的端口11、端口12，做双端口测量。

如图2所示，为本发明分布式多段光纤温度测量方法的流程，包括如下步骤：

S10，获取整段光纤中原始的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据。

即获取高温光纤和普通光纤中后向散射的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据。该数据为光纤某一位置(位移)散射斯托克斯光波和反斯托克斯光波的强度数值。

S20，根据信号数据的突变点区分高温光纤段数据和普通光纤段数据。

由于高温光纤和普通光纤材料性质不同，其具有不同的群折射率，如图3所示，本发明实施例的普通光纤和高温光纤之间采用焊接连接，普通光纤的群折射率为Ng1,高温光纤的群折射率为Ng2。由于群折射率不同，即Ng1不等于Ng2,两者采集的数据在连接位置处不一致，即高温光纤和普通光纤的焊接点位置折射光的强度数值不连续，会出现跳变。如图4所述，普通光纤与高温光纤后向散射的斯托克斯光波的强度在光纤的连接处明显的台阶，也就是突变点，以突变点为界，结合光波在光纤上的位移可以区分出普通光纤段及高温光纤段。

区分普通光纤段和高温光纤段的目的是为了将两者的数据分开进行计算，以保证温度测量的准确性。

S30，分别对高温光纤段、普通光纤段的数据以其对应的群折射率进行插值计算，以将每一采样时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在距离上对齐。

测温仪以固定工作频率采集斯托克斯和反斯托克斯信号，每次采集到的一对信号在时间上是一致的，如图5所示。

但是由于斯托克斯信号与反斯托克斯信号在光纤中的传输速度不一致，在距离上每次采集到的一对信号并不对齐，如图6所示。

故对于上述的情况，需要通过插值计算，最终得到距离上均一致的斯托克斯和反斯托克斯信号对，即每一采样时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在距离上对齐。

同时，对于普通光纤和高温光纤焊接在一起的情况，普通光纤和高温光纤的群折射率不一致，高温光纤中相邻两信号之间的距离与普通光纤中相邻两次信号之间的距离不一致，测温仪采集到的一对斯托克斯和反斯托克斯信号的距离在不同光纤段也不一样，如图7和图8所示。因此分别对普通光纤和高温光纤采集的数据进行插值计算。

具体地，如图9所示，所述插值计算包括如下步骤：

S301，根据采样距离、采样频率以及群折射率计算出每个插值信号数据对应原始信号数据中距离最近相关性最高位置点。

其中：

X为相关性最高位置点；

D为采样距离；

Ng为该光纤的群折射率；

C为光在真空中的速度；

Fs为采样频率。

如图10所示，上排为原始斯托克信号，下排为待插入的目标位置，插入目标位置时需要从上排的原始信号中寻找相关性最高位置点X。

S302，以所述相关性最高位置点为中心，以该中心左右各N个点依据距离远近加权插值算法计算出插值后对应的信号数据值。

从步骤S301找到相关性最高位置点后，需要根据距离远近在中心点左右各取N个点来进行加权插值算法计算出插值后对应的信号数据值。如计算插值后的斯托克斯光信号强度。如图11所示，拟在下排的目标位置插入一个斯托克斯信号，在上排选取一个相关性最高的位置点后，以该点为中心，左右各取5个点的信号强度进行加权插值计算得到在目标位置插入信号的强度值。

假设上排中心加左右各5个点的位置为：X，X-1，X+1，X-2，X+2，X-3，X+3，X-4，X+4，X-5，X+5，

11个点的斯托克斯信号强度分别为：P(X)，P(X-1)，P(X+1)，P(X-2)，P(X+2)，P(X-3)，P(X+3)，P(X-4)，P(X+4)，P(X-5)，P(X+5)。

依据距离的远近，进行反距离权重分配，其中P(X)的权重为0.6，P(X-1)，P(X+1)的权重为0.1，P(X-2)，P(X+2)的权重为0.1，P(X-3)，P(X+3)的权重为0.1，P(X-4)，P(X+4)的权重为0.05，P(X-5)，P(X+5)的权重为0.05。

则，目标位置插值的数值计算结果为：

P(Ins)＝P(X)*0.6+P(X-1)*0.1+P(X+1)*0.1+P(X-2)*0.1+P(X+2)*0.1+P(X-3)*0.1+P(X+3)*0.1+P(X-4)*0.05+P(X+4)*0.05+P(X-5)*0.05+P(X+5)*0.05。

最终使得高温光纤和普通光纤采集的光信号在距离对齐，以后保证后续温度测量的准确性，如图12所示。

S40，根据所述对齐后的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据分别对高温光纤段、普通光纤段进行温度数据计算。

对步骤S30经插值计算对齐后光信号数据进行温度数据的计算，如计算反斯托克斯信号数据和斯托克斯信号数据的比值R，反斯托克斯信号数据和斯托克斯信号数据的比值R与温度具有相关性，故可作为温度数据为最终的温度计算提供参数。

S50，分别将一段普通光纤、一段高温光纤单独与分布式光纤测温仪及高低温温控箱连接以分别获取普通光纤、高温光纤的校准参数。

如图13和图14所示，分别将普通光纤和高温光纤与分布式光纤测温仪及高低温温控箱连接，在高温和低温两种温度下利用温差关系测量获取普通光纤、高温光纤的校准参数。

具体地，所述校准参数包括每一种光纤在高低温温控箱中设定的高低温温差下获得的温度比例系数调节参数A和偏移补偿参数B。

不同的材料的光纤其测量得到的A、B值不同，才能最终使得同一环境下不同光纤可以测得相同的温度值。

本发明实施例中，参数A是通过高低温温控箱内光纤100℃和200℃位置的差值来确定的。如高低温温控箱内低温位置和高温位置分别预设100℃和200℃。在未进行A、B参数调节校准之前，光纤在温控箱中低温位置实际测量得到是95℃，高温位置实际测量得到205℃，差值为110℃，显然跟预设差值不符。

此时调节参数A，如A为500时，使得光纤在温控箱中的实际测量温度差值调到100℃，比如低温位置98℃，高温位置198℃，这个时候再调节参数B，如将B设为2，这样低温位置实测温度就是100℃，高温位置的实测温度就是200℃，且差值也是预设的100℃,故实测值与预设值一致，达到测量要求。而此时的A、B值就是该种光纤的校准参数。

对于丙烯酸酯涂覆光纤(Acrylate光纤)，其通过与分布式光纤测温仪及高低温温控箱连接后测量得到的A、B参数分别为A＝630,B＝-0.5。

S60，根据所述高温光纤段及普通光纤段的温度数据及对应的校准参数生成最终温度。

具体地，所述最终温度生成公式如下：

T＝(A*R+B)-273.15；

其中：

T为最终温度，为摄氏温度。

R为步骤S40计算得到的温度数据，该温度数据具体为反斯托克斯信号数据和斯托克斯信号数据的比值。

如图15和图16所示，图15为未校准的光纤最终温度曲线图，可以明显地观察到，在实测环境为同一温度时，普通光纤段与高温光纤段连接处测得的温度不一致，存在突变，这样光纤测量出的温度不准确。

而图16为校准后的光纤最终温度曲线图，可以明显地观察到，在实测环境为同一温度时，普通光纤段与高温光纤段连接处测得的温度一致，这样整段光纤测量的温度才能精准的反应实际温度。

本发明实施例提出的分布式多段光纤温度测量方法，将光纤分成至少一段高温光纤和至少一段普通光纤交错连接，在温度测量过程中区分高温光纤段数据和普通光纤段数据，并依据高温光纤和普通光纤各自不同的群折射率进行插值计算，使得同一时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在空间距离上对齐，并结合高温光纤和普通光纤各自不同的校准参数生成最终的温度。这样，本发明的温度测量方法既使得系统能用于高温环境，大大降低系统的成本，同时又能消除高温光纤和普通光纤之间的测量偏差，保证了系统的测量精度。

本发明还提出一种系统100，所述系统100包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述的分布式多段光纤温度测量方法。

如图1所示，本发明实施例的系统100包括分布式光纤测温仪1,多段光纤2，所述多段光纤2分成两段普通光纤22及一段高温光纤21交错连接，所述分布式光纤测温仪1设置有双端口11、12，所述两段普通光纤22的一端分别连接分布式光纤测温仪的一个端口11、12，另一端分别连接所述高温光纤21。系统100还设置有温控箱3，该温控箱3为高低温温控箱，用于为光纤提供高温及低温两种具有差值的温度。

分布式光纤测温仪1可设置存储器、处理器及存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，或者分布式光纤测温仪1外接计算机，外接计算机上设置存储器、处理器及存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述异步消息处理终端设备中的执行过程。

所述系统可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述部件仅仅是基于系统的示例，并不构成对系统的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个系统的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本发明的分布式多段光纤温度测量方法及系统，具有如下有益效果：

1、不同种类光纤在分布式光纤温度传感器中的应用。

2、不同种类光纤混合使用时光纤分段方法和系统的应用。

3、不同种类光纤在分段光纤中的光学群折射率的配置应用。

4、不同种类光纤在分段光纤中的温度校准参数的校准和配置应用。

5、多段光纤温度测量方法和系统不限于2段、3段光纤，可N段光纤混合配置。

6、多段光纤温度测量方法和系统于不限于分布式光纤温度传感器在油井测量领域的应用，可以广泛应用于其它领域，如消防、化工、管道和其它。

7、多段光纤温度测量方法和系统于不限于分布式光纤温度传感器也可以应用到其它的分布式传感器，如应力、振动和其它种类的分布式光纤传感器。

8、多段光纤温度测量方法和系统不限于双端口分布式光纤温度传感器，也可应用于单端口分布式光纤温度传感器。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

本发明的分布式多段光纤温度测量方法集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。本发明计算机可读存储介质具体实施方式与上述用于分布式多段光纤温度测量方法各实施例基本相同，在此不再赘述。

需说明的是，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为清楚地说明本发明所作的举例，并非因此限制本发明的专利范围，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是在本发明的构思下，利用本发明技术方案中的内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种分布式多段光纤温度测量方法，应用于分布式光纤温度测量系统，所述系统包括分布式光纤测温仪和多段光纤，所述多段光纤分成至少一段高温光纤和至少一段普通光纤交错连接；

其特征在于，所述分布式多段光纤温度测量方法包括如下步骤：

S10，获取整段光纤中原始的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据；

S20，根据信号数据的突变点区分高温光纤段数据和普通光纤段数据；

S30，分别对高温光纤段、普通光纤段的数据以其对应的群折射率进行插值计算，以将每一采样时刻的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据在距离上对齐；

S40，根据所述对齐后的斯托克斯信号数据和反斯托克斯信号数据分别对高温光纤段、普通光纤段进行温度数据计算；

S50，分别将一段普通光纤、一段高温光纤单独与分布式光纤测温仪及高低温温控箱连接以分别获取普通光纤、高温光纤的校准参数；

S60，根据所述高温光纤段及普通光纤段的温度数据及对应的校准参数生成最终温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值计算包括如下步骤：

S301，根据采样距离、采样频率以及群折射率计算出每个插值信号数据对应原始信号数据中距离最近相关性最高位置点；

其中：

X为相关性最高位置点；

D为采样距离；

Ng为该光纤的群折射率；

C为光在真空中的速度；

Fs为采样频率；

S302，以所述相关性最高位置点为中心，以该中心左右各N个点依据距离远近加权插值算法计算出插值后对应的信号数据值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准参数包括每一种光纤在高低温温控箱中设定的高低温温差下获得的温度比例系数调节参数A和偏移补偿参数B。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最终温度生成公式如下：

T＝(A*R+B)-273.15；

其中：

T为最终温度；

R为步骤S40计算得到的温度数据，该温度数据具体为反斯托克斯信号数据和斯托克斯信号数据的比值。

5.一种系统，其特征在于，所述系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统包括分布式光纤测温仪和多段光纤，所述多段光纤分成两段普通光纤及一段高温光纤交错连接，所述分布式光纤测温仪设置有双端口，所述两段普通光纤的一端分别连接分布式光纤测温仪的一个端口，另一端分别连接所述高温光纤。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述普通光纤和高温光纤之间采用焊接连接。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

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