井下光纤分布式流量监测系统技术领域
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
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。
《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。
《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。
（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。
《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。
《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
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3×3耦合器解调的井下光纤分布式流量监测解调装置。
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C11端，脉冲激光序列自第一环形器的C11端经过C13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C21端，背向瑞利散射光经过第二环形器C23端进入3×3耦合器的B11端，经过3×3耦合器分束到B14端、B15端和B16端，由3×3耦合器B14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3×3耦合器B15端发出的背向瑞利散射光经过长度为L2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=L1-L2；由3×3耦合器B16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。
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3×3耦合器处发生干涉，背向瑞利散射光的干涉信号经过3×3耦合器的B12和B13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3×3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3×3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。
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。
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。
所述传感光纤是按照在油管外壁紧密缠绕n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n由光纤分布式声波监测解调系统的空间分辨率DS和管道半径R决定，即n=DS/(2πR)，此方案灵敏度最高，如图4所示。
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）。
所述第一光放大器与第二光放大器波长一致（误差在0.03nm）。
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。
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。
隔声隔震迈克尔逊干涉仪的设计：
1.使用3×3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3×3耦合器解调算法的光路组建。
2.将3×3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。
设计隔声隔震装置，将3×3耦合器、法拉第旋转镜及长度为L1和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3×3耦合器固定槽以容纳3×3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。
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。
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）ΔL之间的：ΔL=C×τ/2n，C为光在真空中的速度3×108m/s，n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，ΔL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3×3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，第二时间段（时间点2与时间点3之间）的波形是长度为5~10m传感光纤上的干涉信号，依次类推可以得出整个长度的传感光纤上的信号。
如图9所示，按照前面的假设在传感光纤的长度为2km，τ为50ns，ΔL为5m，为了确保图9(a)中的时间点2和时间点3之间的信号代表着长度为0~5m传感光纤上的干涉信号，使迈克尔逊干涉仪的臂长差S=L1-L2=5m，图9(a)中的第一时间段（时间点1与时间点2之间）的信号与图9（b）中的第一时间段(时间点2和时间点3之间)的信号一致，实现了信号的时延，图9(a)中的第二时间段（时间点2和时间点3之间）的信号代表的长度为5~10m处的传感光纤上的干涉信号，图9(b)中的第一时间段（时间点2和时间点3之间）的信号代表的长度为0~5m处的传感光纤上的干涉信号，将图9(a)和图9(b)两信号按照时间进行干涉，实现了长度为5~10m处和长度为0~5m处传感光纤信号的干涉，即实现了一条传感光纤上的实现了不同单位长度间的背向瑞利散射信号的干涉。如果S=L1-L2=2.5m,实现长度为2.5~5m处和长度为0~2.5m处传感光纤信号的干涉，如图9(c)所示。
据此可以根据臂长差S的大小，调节不同单位长度间干涉的长度值，提高系统监测灵敏度。
×3耦合器解调算法
（1）3×3耦合器解调算法优缺点：
1）优缺点
优点：动态范围大，被动式解调
缺点：三个输出端的夹角为120°，此夹角受分光比、温度、偏振等因素的影响而发生变化。
2）3×3耦合器解调算法改进
将第一到第三探测器的光信号进行利萨如图形椭圆算法进行夹角的运算，实时提供耦合器夹角，并进行解耦运算。
因为3×3耦合器夹角存在误差导致相位解调的失真，故采用了改进的3×3耦合器解调技术，其解调原理如下：
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（10）
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（11）
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（12）
其中，A,B,C分别是3×3耦合器的三路输出，D为直流信号，I0为信号幅值，Δφ是传感信号，θ是耦合器夹角。
公式(10)(11)(12)可以写为：
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（13）
式(13)求解出式(14)：
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（14）
其中![]()
，T是关于耦合器的夹角矩阵，已经不依赖于普通3×3耦合器的120度。
解调过程如图10所示：
两路信号经过微分器：
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（15）
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（16）
经过减法器：
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（17）
两路信号经过平方器、加法器：
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（18）
式(17)除以式(18)再积分就可以得出Δφ。
4.将3×3耦合器解调算法、迈克尔逊干涉仪、偏振控制器结合
为了得到最佳解调信号的信噪比，光纤分布式流量监测解调装置工作原理如下：
1）外部环境噪声产生的信号大于真实信号产生的噪声，通过检测瑞利散射信号的偏振模式，使瑞利散射的干涉信号可见度始终保持在较高水平，提高信号的信噪比，具体是：通过第四光探测器的光强大小动态调制偏振控制器的电压大小，以达到动态调整偏振状态的目的，如图11所示。
2）通过第一到第三探测器的光信号进行利萨如图形椭圆算法进行3×3耦合器夹角的实时运算，同时光纤分布式流量监测解调装置进行声波的解调，记录解调信号的信噪比，如果达不到相应的信噪比，调节偏振控制器的电压值，偏振态变化导致耦合器夹角随之变化，3×3耦合器解调改进算法的解调信号信噪比也发生变化，最后达到通过控制偏振态完成3×3耦合器解调改进算法的最佳解调。
本发明的有益效果是：1.隔声隔震迈克尔逊干涉仪的设计，将干涉仪及3×3耦合解调光路巧妙结合在一起，并通过隔声隔震的处理，不仅解调了干涉仪的环境影响，还解决了环境因素对3×3耦合器的影响。
2.通过检测背向瑞利散射的偏振态，并结合改进后的3×3耦合解调算法，解决了3×3耦合器夹角的测量以及应用难题，完成了基于偏振控制的3×3耦合器解调的井下光纤分布式流量监测系统的设计。
附图说明
图1是井下光纤分布式流量监测系统框图；图2是直线型传感探头图；图3是螺旋型传感探头图；图4是线圈型传感探头；图5是固定体结构示意图；图6是固定体装入到密封壳体中结构示意图，其中固定体处于俯视状态；图7是带有出纤口和入纤口的密封壳侧面结构示意图；图8是密封壳的顶盖示意图；图9是背向瑞利散射光干涉原理图；图10是改进的3×3耦合器解调算法框图；图11光电探测器功能示意图。
图中：1-油管；2-传感光纤；3-固定体；4-法拉第旋转镜固定槽；5-3×3耦合器固定槽；6-半圆柱体；7-固定孔；8-光纤固定槽；9-密封壳上的固定孔；10-密封壳体；11-入纤口；12-出纤口；13-密封壳侧面；14-顶盖上的固定孔；15-顶盖。
具体实施方式
如图1所示，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C11端，脉冲激光序列自第一环形器的C11端经过C13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C21端，背向瑞利散射光经过第二环形器C23端进入3×3耦合器的B11端，经过3×3耦合器分束到B14端、B15端和B16端，由3×3耦合器B14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3×3耦合器B15端发出的背向瑞利散射光经过长度为L2的光纤进入到达第二法拉第旋转镜；其中S=L1-L2；由3×3耦合器B16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。
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3×3耦合器处发生干涉，背向瑞利散射光的干涉信号经过3×3耦合器的B12和B13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3×3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3×3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。
本方案的具体特点还有，所述传感光纤2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。
所述传感光纤2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。
所述传感光纤2是按照在油管外壁紧密缠绕n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n由光纤分布式声波监测解调系统的空间分辨率DS和管道半径R决定，即n=DS/(2πR)，此方案灵敏度最高，如图4所示。
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）。
所述第一光放大器与第二光放大器波长严格一致（误差在0.03nm）。
所述超窄带宽激光器和光滤波器波长严格一致，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。
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。
隔声隔震迈克尔逊干涉仪的设计：
1.使用3×3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3×3耦合器解调算法的光路组建。迈克尔逊干涉仪包括3×3耦合器，第一法拉第旋转镜，第二法拉第旋转镜和长度为L1和L2的光纤。
2.将3×3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。
设计隔声隔震迈克尔逊干涉仪装置，将3×3耦合器、法拉第旋转镜及长度为L1和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：
为了提高信噪比，必须降低光功率在迈克尔逊干涉仪中的损耗，如图5-6所示，隔声隔震装置包括带顶盖15的中空密封壳10，在密封壳10中固定长方体状的固定体3，在固定体3两端固定设置半圆柱体6，在固定体3上设置有3×3耦合器固定槽4以容纳3×3耦合器，在固定体3上设置有法拉第旋转镜固定槽5以容纳法拉第旋转镜；在半圆柱体6上设置有光纤固定槽8，将光纤缠绕在半圆柱体6中的光纤固定槽内8，保证光纤缠绕时弯曲损耗降到最低，在本设计中半圆柱体6的直径为3-5cm。在密封壳10上设置有入纤口11和出纤口12，在接入光纤通过入纤口11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15，在密封壳10中灌注密封胶。
将一根带有松套管的光纤将迈克尔逊干涉光路连接完毕后，将3×3耦合器、法拉第旋转镜分别固定在固定体3中的3×3耦合器固定槽4、法拉第旋转镜固定槽5，如图5所示。将迈克尔逊干涉仪固定在固定体3上后，在固定孔7上安装螺栓，如图6所示，将固定体3固定在密封壳10内，迈克尔逊干涉仪的接入光纤经过密封壳的入纤口11，与第二环形器的C23的光纤连接，干涉仪的出射光纤经过密封壳的出纤口12，分别与第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的光纤端连接。固定体固定完毕以及接入光纤及出射光纤安装完毕后，将密封胶灌入密封壳与固定体之间的缝隙，将密封壳顶板固定在密封壳10上，将密封壳上的固定孔9与顶盖上的固定孔14对准，并使用螺栓进行紧固。