朱秀英, 代志勇, 竇金林, 鄧勝?gòu)?qiáng), 楊留強(qiáng), 衣貴濤

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 遼寧 盤錦 124011; 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054)

0 引 言

聲波變密度測(cè)井在石油工程中的應(yīng)用越來越廣泛,但仍處于不斷的技術(shù)革新與發(fā)展中。在探測(cè)聲波頻段上,除目前使用固定聲源頻率(18 kHz)的聲波變密度測(cè)井外,已逐步提出了無源流噪聲測(cè)井的應(yīng)用需求。在測(cè)井應(yīng)用中,一方面需要通過增加聲波接收探頭數(shù)量以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的冗余度、改善聲波測(cè)井信息的可靠性;另一方面則應(yīng)提高聲波探測(cè)的徑向深度與軸向分辨率。這些應(yīng)用對(duì)聲波探測(cè)器的探測(cè)靈敏度、多探頭復(fù)用、體積以及可靠性等都提出更高的要求。光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、多傳感頭可復(fù)用、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì),能在高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作[1-3]。將其應(yīng)用于聲波測(cè)井,將有利于提高聲波探測(cè)的徑向深度與軸向測(cè)量分辨率,并且能設(shè)計(jì)出超細(xì)線陣,實(shí)現(xiàn)多探測(cè)頭陣列探測(cè),提高聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的冗余度,改善聲波測(cè)井的可靠性。盡管光纖水聽器已是比較成熟的光纖聲波傳感器,但其探測(cè)頻率范圍為50 Hz～3 kHz。因此光纖聲波傳感器要應(yīng)用于聲波測(cè)井,尚需改善其頻率響應(yīng)特性,并進(jìn)行耐高溫高壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文提出并研制了一種光纖FBG F-P干涉儀結(jié)合金屬芯軸結(jié)構(gòu)聲壓耦合的高靈敏度聲波傳感器。光纖FBG F-P標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)為弱反射長(zhǎng)腔長(zhǎng)結(jié)構(gòu),以提高傳感器的聲壓相移靈敏度,改善探測(cè)靈敏度。進(jìn)一步通過芯軸結(jié)構(gòu)內(nèi)外層骨架材料的優(yōu)化選取,以及內(nèi)層芯軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化,降低其質(zhì)量,提高芯軸結(jié)構(gòu)的固有頻率,改善傳感器的頻率響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器的探測(cè)靈敏度為-147 dB、頻率響應(yīng)范圍為50 Hz～20 kHz能夠?qū)崿F(xiàn)井下流噪聲信號(hào)的寬頻帶、高靈敏度探測(cè)。傳感器光路為全光纖結(jié)構(gòu),適合油井井下測(cè)量的惡劣環(huán)境,通過進(jìn)一步對(duì)外封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),可以應(yīng)用于聲波測(cè)井中寬頻帶流噪聲信號(hào)探測(cè)。

1 全光纖FBG F-P聲敏感結(jié)構(gòu)

法布里-珀羅腔(F-P腔)對(duì)應(yīng)變、溫度具有敏感性,是高靈敏度光學(xué)傳感器的常用結(jié)構(gòu)。在同一根光纖寫入間隔一定距離的2個(gè)光纖光柵就構(gòu)成全光纖的光纖光柵法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具(FBG F-P)。光纖FBG F-P同樣具有高靈敏度的應(yīng)變與溫度敏感性,而且比單個(gè)光纖光柵有更高的靈敏度[4]。

圖1 光纖光柵法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)示意圖

全光纖FBG F-P結(jié)構(gòu)見圖1。設(shè)2個(gè)光纖光柵的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為rg1、tg1、rg2、tg2,光柵長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2,光纖光柵F-P腔長(zhǎng)為h。假設(shè)2個(gè)光纖光柵完全一致則有rg1=rg2=|rg|exp(iφr),tg1=tg2=|tg|exp(iφt),φr、φt分別為2個(gè)光柵的反射相移系數(shù)和透射相移系數(shù)。當(dāng)2個(gè)光纖光柵設(shè)計(jì)為低反射率光柵,可近似得到弱反射FBG F-P反射系數(shù)為[5]

rF-P(λ)≈rg(λ)[1+exp(iφF-P)]

(1)

式中,φF-P=4πnLF-P/λ為FBG F-P腔的相移系數(shù),LF-P≈Lg+h。單光纖光柵的反射光譜帶寬通常定義為

(2)

光纖FBG F-P腔內(nèi)的諧振譜線寬度為

(3)

則在FBG F-P腔內(nèi)諧振譜線數(shù)為

(4)

由式(4)可知,當(dāng)LF-P遠(yuǎn)大于Lg時(shí),FBG F-P腔的光纖光柵反射帶寬內(nèi)形成多條諧振譜線,而且諧振譜線寬度遠(yuǎn)小于光柵帶寬。當(dāng)受到外部應(yīng)變或溫度作用時(shí),光纖FBG F-P腔的反射諧振譜線移動(dòng)要比單一光柵的反射譜移動(dòng)明顯得多,因而光纖FBG F-P腔對(duì)應(yīng)變或溫度更為敏感。

從上面分析可以看出,光纖FBG F-P腔的光譜特性與腔長(zhǎng)直接相關(guān),因此通過光譜檢測(cè)光纖FBG F-P的腔長(zhǎng)變化是光纖FBG F-P傳感器常用的信號(hào)解調(diào)方法。但基于光譜檢測(cè)的信號(hào)解調(diào)方法靈敏度低,難以實(shí)現(xiàn)微弱聲波信號(hào)的高靈敏度探測(cè)。采用高精度的光波相位檢測(cè),則可通過更精細(xì)的相位檢測(cè)來獲得與聲波信號(hào)相關(guān)的光纖FBG F-P腔長(zhǎng)變化。光纖FBG F-P腔中的光纖在聲波作用下產(chǎn)生應(yīng)變,導(dǎo)致其腔長(zhǎng)產(chǎn)生變化,使得其中傳輸光波的相位變化,光波相位的變化可表示為

(5)

為獲得更高靈敏度的聲波探測(cè),一方面需要將光纖FBG F-P設(shè)計(jì)制作成低反射長(zhǎng)腔長(zhǎng)結(jié)構(gòu),改善其聲壓相移靈敏度;另一方面則應(yīng)采用光相干相位檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)解調(diào),即構(gòu)成干涉型光纖FBG F-P聲波傳感。

2 干涉型光纖FBG F-P聲波傳感系統(tǒng)

2.1 空氣腔芯軸光纖聲波傳感頭

裸光纖的聲壓靈敏度比較低,盡管將光纖FBG F-P腔設(shè)計(jì)為弱反射長(zhǎng)腔長(zhǎng)結(jié)構(gòu)能有效改善聲壓相移靈敏度,并進(jìn)一步使用相干檢測(cè)提高聲波探測(cè)靈敏度,但仍需要通過傳感頭的封裝結(jié)構(gòu)提高探測(cè)靈敏度。已有的研究結(jié)果表明,通過可行的封裝結(jié)構(gòu)能有效提高聲波探測(cè)靈敏度?？諝馇恍据S型封裝結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、大頻率帶寬響應(yīng)特性而被較多地采用。通過空氣腔芯軸封裝結(jié)構(gòu)能提高超過40 dB的聲波探測(cè)靈敏度[6]?；诳諝馇唤饘傩据S結(jié)構(gòu)的寬頻帶光纖聲波敏感頭如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中,光纖FBG F-P腔的光纖纏繞在金屬芯軸骨架上,當(dāng)聲波作用于金屬芯軸結(jié)構(gòu)時(shí),使其產(chǎn)生微小應(yīng)變,進(jìn)而使光纖FBG F-P腔中的光纖產(chǎn)生應(yīng)變,即光纖FBG F-P腔的腔長(zhǎng)受到聲波調(diào)制。

圖2 干涉型FBG F-P光纖聲波敏感頭結(jié)構(gòu)

圖2所示空氣腔金屬芯軸由內(nèi)外2層骨架構(gòu)成,內(nèi)外層骨架采用不同彈性模量的鋁合金材料加工而成。2個(gè)完全相同的光纖FBG-FP標(biāo)準(zhǔn)具(光柵的中心波長(zhǎng)與反射率,以及FBG-FP標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)相同)分別纏繞在內(nèi)外層骨架上。外層骨架采用彈性模量小的材料制作而成,使其具有良好的聲壓靈敏度。內(nèi)層骨架采用彈性模量大的材料制作而成,聲壓作用下不產(chǎn)生應(yīng)變,則不具有聲波信號(hào)敏感性。但同時(shí)兩光路受溫度、噪聲等的影響同相,利用差動(dòng)探測(cè)則可以消除溫度、擾動(dòng)噪聲等對(duì)測(cè)量精度的影響,提高聲波探測(cè)靈敏度?？諝馇恍据S內(nèi)外層骨架的材料特性,以及內(nèi)層骨架的質(zhì)量(固有頻率)決定光纖FBG F-P聲波傳感器的頻率響應(yīng)特性[7]。為此,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中芯軸結(jié)構(gòu)的外層骨架采用彈性模量小的金屬材料,保證良好的聲壓靈敏度,而內(nèi)層骨架則采用彈性模量大的金屬材料,即通過內(nèi)外層材料選取與質(zhì)量控制改善傳感器的頻率響應(yīng)特性。

2.2 光纖FBG F-P聲波傳感系統(tǒng)

基于光纖FBG F-P的聲波傳感系統(tǒng)如圖3所示。為提高聲波探測(cè)信號(hào)的靈敏度,一方面使用了光相干相位探測(cè),構(gòu)成干涉型光纖聲波傳感系統(tǒng);另一方面則使用2個(gè)光纖FBG F-P標(biāo)準(zhǔn)具形成差動(dòng)探測(cè)結(jié)構(gòu),并由同一路徑匹配的邁克爾遜干涉儀解調(diào)實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)。

圖3 光纖FBG F-P聲波傳感系統(tǒng)組成框圖

圖3所示聲波傳感系統(tǒng)由信號(hào)解調(diào)模塊與差動(dòng)光纖FBG F-P聲敏感頭2個(gè)部分組成。其中信號(hào)解調(diào)模塊包括光源、邁克爾遜干涉儀、光電探測(cè)器、差分放大以及信號(hào)處理電路構(gòu)成。傳感光源為保偏光源,并通過偏振控制器對(duì)其輸出的線偏振光進(jìn)行偏振態(tài)控制。差動(dòng)光纖FBG F-P聲敏感頭的2個(gè)光纖FBG F-P標(biāo)準(zhǔn)具由等間距低反射率FBG組成,即4個(gè)相同反射率8%、中心波長(zhǎng)1 550.12 nm、帶寬約為0.12 nm的FBG構(gòu)成。2個(gè)FBG F-P的腔長(zhǎng)均為10 m,且分別纏繞于外徑約為18 mm的空氣腔金屬芯軸內(nèi)外層骨架上,形成差動(dòng)聲波探測(cè)結(jié)構(gòu)。

解調(diào)干涉儀由一只2×2光耦合器構(gòu)成,形成邁克爾遜干涉儀,在兩臂末端通過2只法拉第旋轉(zhuǎn)反射器(FRM)形成反射回路。同時(shí)2只法拉第旋轉(zhuǎn)反射器(FRM)與偏振控制器配合實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的控制,用以減小偏振衰落的影響。解調(diào)干涉儀其中一臂上插入一只PZT光相位調(diào)制器,并由100 kHz正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng),用以實(shí)現(xiàn)PGC算法解調(diào),一方面消除隨機(jī)相位衰落;另一方面則實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)解調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為分析空氣芯軸型光纖FBG F-P聲波傳感器的聲壓靈敏度和頻率響應(yīng)特性,構(gòu)建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用聲壓靈敏度為-202 dB,線性工作頻率20 Hz～50 kHz的標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器(型號(hào)RHS-20)測(cè)量光纖FBG F-P聲波傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)特性。將光纖FBG F-P聲波傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器放置在儲(chǔ)液罐中,注入適量水。標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器信號(hào)在經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后輸入到示波器中,獲得標(biāo)準(zhǔn)聲壓靈敏度值。聲源為20 Hz～20 kHz的全波段聲源系統(tǒng),將函數(shù)發(fā)生器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率正弦波信號(hào)通過功率放大后產(chǎn)生全波段范圍掃頻聲波信號(hào)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置組成框圖

從50 Hz～20 kHz每1/3倍頻程的頻點(diǎn)測(cè)量10次取其平均值,光纖FBG F-P聲波傳感器的聲壓靈敏度與頻率響應(yīng)曲線如圖5所示,其中“·”表示10次測(cè)量結(jié)果的平均值。從圖5中可見,光纖FBG F-P聲波傳感器的最高靈敏度為-148.2 dB。在400 Hz～16 kHz的平均靈敏度約為-147.8 dB,靈敏度波動(dòng)最大為0.54 dB。在50 Hz～400 Hz范圍內(nèi),靈敏度呈下降趨勢(shì),下降的最大值約為1 dB。而在16 kHz～20 kHz頻率范圍靈敏度同樣表現(xiàn)出下降趨勢(shì),其中在20 kHz處下降約為2 dB。按照3 dB頻率響應(yīng)定義,實(shí)驗(yàn)中的光纖FBG F-P聲波傳感器的頻率響應(yīng)范圍達(dá)到50 Hz～20 kHz。

圖5 光纖FBG F-P聲波傳感系統(tǒng)靈敏度與頻率特性

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 采用全光纖的光纖FBG F-P干涉儀結(jié)合金屬芯軸結(jié)構(gòu)聲壓耦合實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、

高靈敏度的

聲波信號(hào)探測(cè)。

(2) 光纖FBG F-P干涉儀設(shè)計(jì)為弱反射長(zhǎng)腔長(zhǎng)結(jié)構(gòu),結(jié)合芯軸纏繞增敏和光相位探測(cè),提高了傳感器的靈敏度。金屬芯軸內(nèi)外層骨架使用不同彈性模量的材料,并降低芯軸結(jié)構(gòu)內(nèi)層骨架的質(zhì)量,有效改善了傳感器的頻率響應(yīng)特性。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的探測(cè)靈敏度為-147.8 dB,頻率響應(yīng)范圍為50 Hz～20 kHz,能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶的聲波信號(hào)探測(cè)。

(4) 傳感器光路為全光纖結(jié)構(gòu),適合井下測(cè)量的惡劣環(huán)境(高溫、高壓),通過進(jìn)一步的外封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以應(yīng)用于井下寬頻帶的聲波信號(hào)探測(cè),對(duì)推動(dòng)聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

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