阅读说明：本技术 一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统及测量方法 (Flow velocity measurement system and method based on optical fiber vector hydrophone ) 是由 唐余强 任伟 陶令 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统及测量方法,系统包括：光发射模块,用于获取光源信号并进行调制和转换为脉冲光信号,通过光传输模块传输给矢量感知模块；用于传输光信号的光传输模块；矢量感知模块,包括若干组测量单元,每组测量单元包括位置间隔为d的2个光纤矢量水听器,且每个光纤矢量水听器均用于探测微弱的三相流流动噪声信号；信号处理模块,用于解调干涉光信号得到三相流流动噪声信号,并采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算时延,然后利用时延和位置间隔计算流体速度,最终综合所有测量单元得到的流体速度得以待测流体的流体速度。本发明的流速测量灵敏度和精度高。(The invention discloses a flow velocity measurement system and a flow velocity measurement method based on a fiber vector hydrophone, wherein the system comprises the following components: the light emitting module is used for acquiring a light source signal, modulating and converting the light source signal into a pulse light signal, and transmitting the pulse light signal to the vector sensing module through the light transmission module; an optical transmission module for transmitting an optical signal; the vector sensing module comprises a plurality of groups of measuring units, each group of measuring units comprises 2 optical fiber vector hydrophones with the position interval of d, and each optical fiber vector hydrophone is used for detecting weak three-phase flow noise signals; and the signal processing module is used for demodulating the interference optical signal to obtain a three-phase flow noise signal, calculating time delay on the 2 three-phase flow noise signals from the same group of measuring units by adopting a correlation method, calculating the fluid speed by utilizing the time delay and the position interval, and finally integrating the fluid speeds obtained by all the measuring units to obtain the fluid speed of the fluid to be measured. The flow velocity measuring device has high flow velocity measuring sensitivity and precision.)

一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统及测量方法。

背景技术

在石油开采之前，首要工作包括测井，通过测井来获得各种石油地质及工程技术资料，包括油源的位置、方向，以及油气水混合相的流动特性与各相的组分含量，从而准确获得石油的产量。因此，对油气水混合相的流速测量成为石油开采的重要工作之一。

现有技术中的多相测量技术，对气液两相主要有以下几种方法：

1、分离法，包括完全分离和部分分离。完全分离，是指将气液两相流通过分离器分相后，再分别再用单相流量仪表分别进行测量，这种完全分离方法的测量过程复杂，而且不够经济实惠；而部分分离法所分离出的流体、气液比率，液态等量都是无法确定的。

2、直接测量法，包括压差式、速度式、容积式、质量式等测量方法，但这些方法不利于测量微弱的三相流噪声，导致测量流体流速测量精度低。

因此，有必要提出一种新的流速测量系统及测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统及测量方法，提高流速测量的精度和灵敏度。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统，包括：光发射模块、光传输模块、矢量感知模块、信号处理模块；

所述光发射模块，用于获取光源信号并对光源信号进行调制，并将调制得到的光信号转换为脉冲光信号，然后通过所述光传输模块传输给所述矢量感知模块；

所述矢量感知模块，包括至少一组测量单元，每组测量单元包括位置间隔为d的2个光纤矢量水听器；每个光纤矢量水听器，均用于感知三相流流动噪声信号，并将加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号通过所述光传输模块传输给所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号进行解调获取三相流流动噪声信号，并采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算三相流流动噪声信号时延t，然后利用三相流流动噪声信号时延t和位置间隔d，计算测量单元所在方向的流体速度，最终综合所有测量单元所在方向的流体速度作为矢量感知模块所在位置的流体速度。

进一步地，所述矢量感知模块包括8个光纤矢量水听器，所述8个光纤矢量水听器分别设置于边长为d的立方体顶点处，设置于正方体的每条棱两端的2个光纤矢量水听器均构成一组测量单元，共得到12组测量单元。

进一步地，所述矢量感知模块中的每个光纤矢量水听器的3个坐标轴分别与过立方体顶点的三条棱的方向一致；

矢量感知模块所在位置的流体速度的计算方法为：

针对每个坐标轴方向，均计算在该方向的4个测量单元的流体速度均值，得到流体在3个坐标轴方向的流体速度；再求3个坐标轴方向的流体速度的矢量和，即得到矢量感知模块所在位置的流体速度。

进一步地，所述数据处理模块采用FPGA芯片，通过FPGA编程技术实现。

进一步地，还包括终端模块，所述终端模块设置有与流速待测流体相匹配的数学模型，所述终端模块用于将所有测量单元所在位置的流体流速表示在所述数学模型上以进行显示。

进一步地，所述光发射模块和信号处理模块集成一同一个光信号预处理机内，所述光信号预处理机与所述光传输模块之间采用光航插进行连接；所述矢量感知模块与所述光传输模块之间的连接方式为熔接。

本发明还提供一种基于光纤矢量水听器的流速测量方法，包括以下步骤：

步骤1，光发射模块获取光源信号并对光源信号进行调制，并将调制得到的光信号转换为脉冲光信号，然后通过所述光传输模块传输给矢量感知模块；

其中，所述矢量感知模块，包括至少一组测量单元，每组测量单元包括位置间隔为d的2个光纤矢量水听器；

步骤2，每个光纤矢量水听器均感知所在位置的三相流流动噪声信号，即是将三相流流动噪声信号加载到脉冲光信号得中，然后将加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号通过光传输模块传输给信号处理模块；

步骤3，信号处理模块对接收到的加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号进行解调得到三相流流动噪声信号，并采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算三相流流动噪声信号时延t，然后利用三相流流动噪声信号时延t和位置间隔d，计算测量单元所在方向的流体速度，最终综合所有测量单元所在方向的流体速度作为矢量感知模块所在位置的流体速度。

进一步地，所述矢量感知模块包括8个光纤矢量水听器，所述8个光纤矢量水听器分别设置于边长为d的立方体顶点处，设置于正方体的每条棱两端的2个光纤矢量水听器均构成一组测量单元，共得到12组测量单元。

进一步地，所述矢量感知模块中的每个光纤矢量水听器的3个坐标轴分别与过立方体顶点的三条棱的方向一致；

矢量感知模块所在位置的流体速度的计算方法为：

针对每个坐标轴方向，均计算在该方向的4个测量单元的流体速度均值，得到流体在3个坐标轴方向的流体速度；再求3个坐标轴方向的流体速度的矢量和，即得到矢量感知模块所在位置的流体速度。

进一步地，所述方法还包括：终端模块建立流速待测流体的数学模型；且在步骤3之后还包括：

步骤4，终端模块将所有测量单元所在位置的流体流速表示在所述数学模型上以进行显示。

有益效果

本发明的技术效果为：

1、采用光纤矢量水听器测量光声场信号，并采用互相关技术、利用一组2个光纤矢量水听器得到的光声场信号求解两个光纤矢量水听器之间的时延，再利用该时延和间隔即可计算得到流体流速，该流速测量系统及方法的灵敏度和精度都得到提高；

2、通过立方体的方式设置8个光纤矢量水听器，组成12组测量单元，综合得到的流体流速更精准；

3、所有测量单元所在位置的流体流速表示在所述数学模型上以进行显示，从而可以通过终端界面更直观、立体地显示流体流速的空间分布情况。

附图说明

图1为本发明实施例所述系统的框架图；

图2为本发明实施例所述系统的矢量水听器的布放图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种基于光纤矢量水听器的流速测量系统，如图1所示，包括：光发射模块、光传输模块、矢量感知模块、信号处理模块、终端模块；所述光发射模块和信号处理模块集成一同一个光信号预处理机内，所述光信号预处理机与所述光传输模块之间采用光航插进行连接；所述矢量感知模块与所述光传输模块之间的连接方式为熔接。

所述光发射模块，用于获取光源信号并对光源信号进行调制，并将调制得到的光信号转换为脉冲光信号，然后通过所述光传输模块传输给所述矢量感知模块。

在该光发射模块，从光源获取光源信号，然后使用载波信号对光源信号进行调制，再经过声光调制器形成周期脉冲光信号，以达到时分复用的效果，再使用分束器将脉冲光分成几束以达到空分复用的效果。此处要求对光源信号进行时分复用和空分复用处理，是根据矢量感知模块中的光纤矢量水听器的数量以及每个光纤矢量水听器的路数综合进行设置时分复用和空分复用的数量。在本实施例中，共有8个光纤矢量水听器，每个光纤矢量水听器有3路，因此每次测量均要求光发射模块发出24路脉冲光信号。

所述矢量感知模块包括8个光纤矢量水听器，所述8个光纤矢量水听器分别设置于边长为d的立方体顶点处，如图2所示，且3个坐标轴分别与过立方体顶点的三条棱的方向一致，即8个矢量水听器的x轴方向一致、y轴方向一致、z轴方向一致。其中设置于正方体的每条棱两端的2个矢量水听器均构成一组测量单元，共得到12组测量单元。每个光纤矢量水听器，均用于感知微弱的三相流流动噪声信号，然后通过所述光传输模块传输给所述信号处理模块。

本实施例中，光纤矢量水听器中的迈克尔逊产生光的干涉信号，干涉仪的光纤受到三相流流动噪声信号的作用发生长度变化，从而光的干涉信号发生改变，相当于光纤矢量水听器将三相流流动噪声信号加载到接收到的脉冲光信号中，并将加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号发送给信号处理模块，以解调提取出三相流流动噪声信号。

所述信号处理模块，用于对加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号进行解调得到三相流流动噪声信号，并采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算三相流流动噪声信号时延t，然后利用三相流流动噪声信号时延t和位置间隔d，计算测量单元所在位置的流体速度。

本实施例中，采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算时延的方法具体为：首先，对获得到的2个三相流流动噪声信号x’(n)和y’(n)进行等长处理，即取相同长度的采样数据，不够的可以补零；然后，对等长处理得到的2个信号x(n)和y(n)分别进行快速傅里叶变换FFT，得到对应的频谱x(k)和y(k)；再对得到的两个频谱做乘积运算：Gxy＝x(k)*y(k)；最终对乘积得到的信号进行快速傅里叶逆变换IFFT，即得到要求解的时延t。

本实施例具体使用PGC解调技术，解调得到三相流流动噪声信号。其中，PGC解调方式，包括混频、低通、微分、交叉相乘、积分、高通等步骤，由于该PGC解调方式为现有成熟技术，在此不再重复赘述。

由矢量水听器的指向性可知，三相流流动噪声的传播方向与矢量水听器轴的方向平行时，该轴有最大响应，这一特性有利于提高流速流向的精度。

由于8个光纤矢量水听器以立方体的方式设置可构成12组测量单元，每个坐标轴方向有4个测量单元。因此可以针对每个坐标轴方向，均计算在该方向的4个测量单元的流体速度均值，得到流体在3个坐标轴方向的流体速度；再求3个坐标轴方向的流体速度的矢量和，即得到矢量感知模块所在位置的流体速度，可以提高流速测量系统的测量精度。

在本实施例中，数据处理模块采用FPGA芯片，通过FPGA编程技术实现。

其中的位置间隔d，可根据待测流体的类型以及测量精度进行实际设置，要求通过该间隔能求解得到流体速度，如果设置太小可能导致不能满足流速计算条件，如果设置太大，流速计算的噪声会增大，则会导致流速的计算精度降低。

所述终端模块设置有与流速待测流体相匹配的数学模型，所述终端模块用于将所有测量单元所在位置的流体流速表示在所述数学模型上以进行显示。从而可以通过终端界面更直观、立体地显示流体流速的空间分布情况。

另外，本发明还提供一种与上述基于光纤矢量水听器的流速测量系统相应的流速测量方法实施例，该流速测量方法包括以下步骤：

步骤1，光发射模块获取光源信号并对光源信号进行调制，并将调制得到的光信号转换为脉冲光信号，然后通过所述光传输模块传输给矢量感知模块；

其中，所述矢量感知模块，包括至少一组测量单元，每组测量单元包括位置间隔为d的2个光纤矢量水听器；

步骤2，每个光纤矢量水听器均感知所在位置的三相流流动噪声信号，并利用三相流流动噪声信号和脉冲光信号产生干涉光信号，然后通过光传输模块传输给信号处理模块；

步骤3，信号处理模块对接收到的加载有三相流流动噪声信号的脉冲光信号进行解调得到三相流流动噪声信号，并采用相关法对来自同一组测量单元的2个三相流流动噪声信号计算三相流流动噪声信号时延t，然后利用三相流流动噪声信号时延t和位置间隔d，计算测量单元所在方向的流体速度，最终综合所有测量单元所在方向的流体速度作为矢量感知模块所在位置的流体速度；

步骤4，终端模块将所有测量单元所在位置的流体流速表示在数学模型上以进行显示；其中的所述数学模型是与流速待测流体相匹配的虚拟模型。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。