基于FBG F-P的全光纤井下声波传感器

2015-05-09朱秀英代志勇窦金林邓胜强杨留强衣贵涛

测井技术 2015年4期

朱秀英, 代志勇, 窦金林, 邓胜强, 杨留强, 衣贵涛

(1.中国石油长城钻探工程有限公司测井公司, 辽宁盘锦 124011; 2.电子科技大学光电信息学院, 四川成都 610054)

0 引言

声波变密度测井在石油工程中的应用越来越广泛,但仍处于不断的技术革新与发展中。在探测声波频段上,除目前使用固定声源频率(18 kHz)的声波变密度测井外,已逐步提出了无源流噪声测井的应用需求。在测井应用中,一方面需要通过增加声波接收探头数量以提高测量数据的冗余度、改善声波测井信息的可靠性;另一方面则应提高声波探测的径向深度与轴向分辨率。这些应用对声波探测器的探测灵敏度、多探头复用、体积以及可靠性等都提出更高的要求。光纤传感器具有体积小、灵敏度高、多传感头可复用、抗电磁干扰等显著优势,能在高温、高压、强电磁干扰等恶劣环境下长期工作[1-3]。将其应用于声波测井,将有利于提高声波探测的径向深度与轴向测量分辨率,并且能设计出超细线阵,实现多探测头阵列探测,提高声波测井数据的冗余度,改善声波测井的可靠性。尽管光纤水听器已是比较成熟的光纤声波传感器,但其探测频率范围为50 Hz～3 kHz。因此光纤声波传感器要应用于声波测井,尚需改善其频率响应特性,并进行耐高温高压结构设计。

本文提出并研制了一种光纤FBG F-P干涉仪结合金属芯轴结构声压耦合的高灵敏度声波传感器。光纤FBG F-P标准具设计为弱反射长腔长结构,以提高传感器的声压相移灵敏度,改善探测灵敏度。进一步通过芯轴结构内外层骨架材料的优化选取,以及内层芯轴结构优化,降低其质量,提高芯轴结构的固有频率,改善传感器的频率响应特性。实验结果表明,传感器的探测灵敏度为-147 dB、频率响应范围为50 Hz～20 kHz能够实现井下流噪声信号的宽频带、高灵敏度探测。传感器光路为全光纤结构,适合油井井下测量的恶劣环境,通过进一步对外封装结构的设计,可以应用于声波测井中宽频带流噪声信号探测。

1 全光纤FBG F-P声敏感结构

法布里-珀罗腔(F-P腔)对应变、温度具有敏感性,是高灵敏度光学传感器的常用结构。在同一根光纤写入间隔一定距离的2个光纤光栅就构成全光纤的光纤光栅法布里-珀罗标准具(FBG F-P)。光纤FBG F-P同样具有高灵敏度的应变与温度敏感性,而且比单个光纤光栅有更高的灵敏度[4]。

图1 光纤光栅法布里-珀罗腔结构示意图

全光纤FBG F-P结构见图1。设2个光纤光栅的反射系数和透射系数分别为rg1、tg1、rg2、tg2,光栅长度分别为L1、L2,光纤光栅F-P腔长为h。假设2个光纤光栅完全一致则有rg1=rg2=|rg|exp(iφr),tg1=tg2=|tg|exp(iφt),φr、φt分别为2个光栅的反射相移系数和透射相移系数。当2个光纤光栅设计为低反射率光栅,可近似得到弱反射FBG F-P反射系数为[5]

rF-P(λ)≈rg(λ)[1+exp(iφF-P)]

(1)

式中,φF-P=4πnLF-P/λ为FBG F-P腔的相移系数,LF-P≈Lg+h。单光纤光栅的反射光谱带宽通常定义为

(2)

光纤FBG F-P腔内的谐振谱线宽度为

(3)

则在FBG F-P腔内谐振谱线数为

(4)

由式(4)可知,当LF-P远大于Lg时,FBG F-P腔的光纤光栅反射带宽内形成多条谐振谱线,而且谐振谱线宽度远小于光栅带宽。当受到外部应变或温度作用时,光纤FBG F-P腔的反射谐振谱线移动要比单一光栅的反射谱移动明显得多,因而光纤FBG F-P腔对应变或温度更为敏感。

从上面分析可以看出,光纤FBG F-P腔的光谱特性与腔长直接相关,因此通过光谱检测光纤FBG F-P的腔长变化是光纤FBG F-P传感器常用的信号解调方法。但基于光谱检测的信号解调方法灵敏度低,难以实现微弱声波信号的高灵敏度探测。采用高精度的光波相位检测,则可通过更精细的相位检测来获得与声波信号相关的光纤FBG F-P腔长变化。光纤FBG F-P腔中的光纤在声波作用下产生应变,导致其腔长产生变化,使得其中传输光波的相位变化,光波相位的变化可表示为

(5)

为获得更高灵敏度的声波探测,一方面需要将光纤FBG F-P设计制作成低反射长腔长结构,改善其声压相移灵敏度;另一方面则应采用光相干相位检测来实现声波信号解调,即构成干涉型光纤FBG F-P声波传感。

2 干涉型光纤FBG F-P声波传感系统

2.1 空气腔芯轴光纤声波传感头

裸光纤的声压灵敏度比较低,尽管将光纤FBG F-P腔设计为弱反射长腔长结构能有效改善声压相移灵敏度,并进一步使用相干检测提高声波探测灵敏度,但仍需要通过传感头的封装结构提高探测灵敏度。已有的研究结果表明,通过可行的封装结构能有效提高声波探测灵敏度。空气腔芯轴型封装结构具有高灵敏度、大频率带宽响应特性而被较多地采用。通过空气腔芯轴封装结构能提高超过40 dB的声波探测灵敏度[6]。基于空气腔金属芯轴结构的宽频带光纤声波敏感头如图2所示。在该结构中,光纤FBG F-P腔的光纤缠绕在金属芯轴骨架上,当声波作用于金属芯轴结构时,使其产生微小应变,进而使光纤FBG F-P腔中的光纤产生应变,即光纤FBG F-P腔的腔长受到声波调制。

图2 干涉型FBG F-P光纤声波敏感头结构

图2所示空气腔金属芯轴由内外2层骨架构成,内外层骨架采用不同弹性模量的铝合金材料加工而成。2个完全相同的光纤FBG-FP标准具(光栅的中心波长与反射率,以及FBG-FP标准具的腔长相同)分别缠绕在内外层骨架上。外层骨架采用弹性模量小的材料制作而成,使其具有良好的声压灵敏度。内层骨架采用弹性模量大的材料制作而成,声压作用下不产生应变,则不具有声波信号敏感性。但同时两光路受温度、噪声等的影响同相,利用差动探测则可以消除温度、扰动噪声等对测量精度的影响,提高声波探测灵敏度。空气腔芯轴内外层骨架的材料特性,以及内层骨架的质量(固有频率)决定光纤FBG F-P声波传感器的频率响应特性[7]。为此,实验系统中芯轴结构的外层骨架采用弹性模量小的金属材料,保证良好的声压灵敏度,而内层骨架则采用弹性模量大的金属材料,即通过内外层材料选取与质量控制改善传感器的频率响应特性。

2.2 光纤FBG F-P声波传感系统

基于光纤FBG F-P的声波传感系统如图3所示。为提高声波探测信号的灵敏度,一方面使用了光相干相位探测,构成干涉型光纤声波传感系统;另一方面则使用2个光纤FBG F-P标准具形成差动探测结构,并由同一路径匹配的迈克尔逊干涉仪解调实现相位解调。

图3 光纤FBG F-P声波传感系统组成框图

图3所示声波传感系统由信号解调模块与差动光纤FBG F-P声敏感头2个部分组成。其中信号解调模块包括光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器、差分放大以及信号处理电路构成。传感光源为保偏光源,并通过偏振控制器对其输出的线偏振光进行偏振态控制。差动光纤FBG F-P声敏感头的2个光纤FBG F-P标准具由等间距低反射率FBG组成,即4个相同反射率8%、中心波长1 550.12 nm、带宽约为0.12 nm的FBG构成。2个FBG F-P的腔长均为10 m,且分别缠绕于外径约为18 mm的空气腔金属芯轴内外层骨架上,形成差动声波探测结构。

解调干涉仪由一只2×2光耦合器构成,形成迈克尔逊干涉仪,在两臂末端通过2只法拉第旋转反射器(FRM)形成反射回路。同时2只法拉第旋转反射器(FRM)与偏振控制器配合实现偏振态的控制,用以减小偏振衰落的影响。解调干涉仪其中一臂上插入一只PZT光相位调制器,并由100 kHz正弦信号驱动,用以实现PGC算法解调,一方面消除随机相位衰落;另一方面则实现声波信号解调。

3 实验结果与分析

为分析空气芯轴型光纤FBG F-P声波传感器的声压灵敏度和频率响应特性,构建了如图4所示的实验系统。采用声压灵敏度为-202 dB,线性工作频率20 Hz～50 kHz的标准压电水听器(型号RHS-20)测量光纤FBG F-P声波传感器的灵敏度和频率响应特性。将光纤FBG F-P声波传感器和标准压电水听器放置在储液罐中,注入适量水。标准压电水听器信号在经过信号调理后输入到示波器中,获得标准声压灵敏度值。声源为20 Hz～20 kHz的全波段声源系统,将函数发生器输出的标准频率正弦波信号通过功率放大后产生全波段范围扫频声波信号。

图4 实验装置组成框图

从50 Hz～20 kHz每1/3倍频程的频点测量10次取其平均值,光纤FBG F-P声波传感器的声压灵敏度与频率响应曲线如图5所示,其中“·”表示10次测量结果的平均值。从图5中可见,光纤FBG F-P声波传感器的最高灵敏度为-148.2 dB。在400 Hz～16 kHz的平均灵敏度约为-147.8 dB,灵敏度波动最大为0.54 dB。在50 Hz～400 Hz范围内,灵敏度呈下降趋势,下降的最大值约为1 dB。而在16 kHz～20 kHz频率范围灵敏度同样表现出下降趋势,其中在20 kHz处下降约为2 dB。按照3 dB频率响应定义,实验中的光纤FBG F-P声波传感器的频率响应范围达到50 Hz～20 kHz。