(57)【要約】【課題】光ファイバー分散型センサーを使用して温度等のパラメータを測定する場合の精度を向上させる。【解決手段】本発明によれば、後方散乱波長及び独立したセンサーを使用して光ファイバーセンサーを使用してキャリブレーション及び測定を行う方法が提供される。本発明方法は、ループ又は直線的な形状で配置された光ファイバーセンサーに適用可能であり、且つ温度を包含する測定を行う場合に有用である。【選択図】　　　図１
2004069685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を決定する方法において、
（ａ）ストークス波長における光学的エネルギを光ファイバー分散型温度センサーへ供給し、
（ｂ）ストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、
（ｃ）アンチストークス波長における光学的エネルギを前記光ファイバー分散型温度センサーへ供給し、
（ｄ）アンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、
（ｅ）光ファイバーに沿っての選択した位置においてストークス波長とアンチストークス波長における後方散乱信号の間の減衰比を計算し、
（ｆ）（ａ）乃至（ｅ）のステップを異なる時間において繰返し行い、
（ｇ）ストークス波長及びアンチストークス波長の時間に関しての減衰比における変化を計算し、
（ｈ）測定したＳＡＲと前記時間に関しての減衰比における変化とを乗算することにより補正したＳＡＲを計算し、
（ｉ）前記補正したＳＡＲを使用して前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、可変同調光源がストークス波長における前記光エネルギ及びアンチストークス波長における前記光エネルギを供給することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１において、前記光ファイバー分散型温度センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項４】
光ファイバー分散型温度センサーの測定値を較正する方法において、
（ａ）ストークス波長における光エネルギを光ファイバー分散型温度センサーへ供給し、
（ｂ）ストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、
（ｃ）アンチストークス波長における光エネルギを前記光ファイバー分散型温度センサーへ供給し、
（ｄ）アンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、
（ｅ）光ファイバーに沿っての選択した位置においてストークス波長及びアンチストークス波長における後方散乱信号の間の減衰比を計算し、
（ｆ）（ａ）乃至（ｅ）のステップを異なる時間において繰返し行い、
（ｇ）ストークス波長及びアンチストークス波長の時間に関しての減衰比における変化を計算し、
（ｈ）光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｉ）測定したＳＡＲと前記時間に関しての減衰比における変化とを乗算することにより補正したＳＡＲを計算する、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４において、可変同調光源がストークス波長における前記光エネルギ及びアンチストークス波長における前記光エネルギを供給することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４において、前記光ファイバー分散型温度センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
光ファイバー分散型温度センサーに沿って温度を決定する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｂ）前記光ファイバー分散型温度センサーに沿って位置されている独立した温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｃ）前記独立した温度センサーの位置において前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度と前記独立した温度センサーによって測定した温度との値の温度差ΔＴ１を計算し、
（ｄ）ΔＴ１を使用して前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７において、前記光ファイバー分散型温度センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７において、前記光ファイバ−分散型温度センサーが、更に、ファイバーブラッググレーチングを有していることを特徴とする方法。
【請求項１０】
光ファイバー分散型センサー測定値を較正する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型センサーに沿っての興味のあるパラメータを測定し、
（ｂ）独立したセンサーにより前記興味のあるパラメータを測定し、
（ｃ）前記独立したセンサーの位置においての前記光ファイバー分散型センサーによって測定した興味のあるパラメータと前記独立したセンサーによって測定した興味のあるパラメータの間の差ΔＴ１を決定し、
（ｄ）ΔＴ１を使用して前記光ファイバー分散型センサーによって測定した興味のあるパラメータを調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記光ファイバー分散型センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０において、前記光ファイバー分散型センサーが、更に、ファイバーブラッググレーチングを有していることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１０において、前記興味のあるパラメータが温度であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１０において、前記興味のあるパラメータが圧力であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１において、前記独立したセンサーが前記ボアホール内の特定の興味のある位置に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項１６】
ボアホール内に配置されている較正した光ファイバー分散型温度センサーにおいて、少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングを有する光ファイバー分散型温度センサー及び前記ボアホール内に配置されている少なくとも１個の独立した温度センサーを有していることを特徴とする光ファイバー分散型温度センサー。
【請求項１７】
ボアホールパラメータを正確に決定する方法において、
（ａ）ボアホール内に光ファイバー分散型センサーを配置し、
（ｂ）前記光ファイバー分散型センサーに沿って前記ボアホール内に独立したセンサーを設け、
（ｃ）前記光ファイバー分散型センサーを使用してボアホールパラメータを測定し、
（ｄ）前記独立したセンサーを使用して前記ボアホールパラメータを測定し、その場合に前記独立したセンサーは前記光ファイバー分散型センサーよりも一層正確な測定値を与え、
（ｅ）前記独立したセンサーによって行われたボアホールパラメータの測定と前記独立したセンサーの位置における前記光ファイバー分散型センサーを使用して行われたボアホールパラメータの測定との間の差を計算し、
（ｆ）前記差によって前記光ファイバー分散型センサーを使用して行われたボアホールパラメータの測定値を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７において、前記ボアホールパラメータが温度であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７において、前記ボアホールパラメータが圧力であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７において、前記光ファイバー分散型センサーが、更に、ＦＢＧを有していることを特徴とする方法。
【請求項２１】
光ファイバー分散型センサーに沿っての興味のあるパラメータを決定する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型センサーへ光エネルギを供給し、
（ｂ）前記光ファイバー分散型センサーを使用して興味のあるパラメータを測定し、
（ｃ）前記光ファイバー分散型センサーにおける少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングを使用して前記興味のあるパラメータを測定し、
（ｄ）ｊがファイバーブラッググレーチングの数であるとして、少なくとも１個のファイバーブラッググレーチング基準の位置における前記光ファイバー分散型センサーを使用して測定した興味のあるパラメータと前記少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングによって測定した興味のあるパラメータとの間の興味のあるパラメータの差ΔＴ２ｊを決定し、
（ｅ）ΔＴ２ｊを使用して前記光ファイバー分散型センサーによって行われた興味のあるパラメータの測定値を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記光ファイバー分散型センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１において、前記ボアホールパラメータが温度であることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２１において、前記ボアホールパラメータが圧力であることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２１において、前記光ファイバー分散型センサーが単一モードファイバーであることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２１において、前記光ファイバー分散型センサーがマルチモードファイバーであることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２１において、前記光ファイバー分散型センサーが単一モードファイバーとマルチモードファイバーとの組合わせであることを特徴とする方法。
【請求項２８】
光ファイバー分散型温度センサーに沿って温度を決定する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型温度センサーへ光エネルギを供給し、
（ｂ）前記光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｃ）前記光ファイバー分散型温度センサーに沿って位置されている少なくとも１個の独立した温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｄ）前記光ファイバー分散型温度センサーにおける少なくとも１個のファイバーブラッググレーチング温度を使用して温度を測定し、
（ｅ）ｉが独立した温度センサーの数であるとして、前記少なくとも１個の独立した温度センサーの位置における前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度と前記少なくとも１個の独立した温度センサーによって測定した温度との間の温度差ΔＴ１ｊを決定し、
（ｆ）ｊがファイバーブラッググレーチングの数であるとして、前記少なくとも１個のファイバーブラッググレーチング基準の位置における前記分散型温度センサーによって測定した温度と前記少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングによって測定した温度との間の温度差ΔＴ２ｊを決定し、
（ｇ）ΔＴ１ｉ及びΔＴ２ｊを使用して前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８において、前記光ファイバー分散型センサーによって測定した温度に対する調整をｉ個の独立した温度センサーの位置とｊ個のファイバーブラッググレーチングの位置との間において行うことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８において、前記光ファイバー分散型温度センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２８において、前記光ファイバー分散型センサーによって測定した温度に対する調整が、前記光ファイバー分散型温度センサーに沿って空間的に異なることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３１において、前記光ファイバー分散型温度センサーの既知の特徴の位置に基づいて前記調整が空間的に変化することを特長とする方法。
【請求項３３】
光ファイバー分散型温度センサーの測定値を較正する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型温度センサーへ光エネルギを供給し、
（ｂ）前記光ファイバー分散型温度センサーに沿って位置されている少なくとも１個の独立した温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｃ）前記光ファイバー分散型温度センサーにおける少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングを使用して温度を測定し、
（ｄ）前記少なくとも１個の独立した温度センサーによって測定した温度と前記少なくとも１個のファイバーブラッググレーチングによって測定した温度を使用して前記光ファイバー分散型温度センサーによって測定した温度を調整する、ことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３３において、前記光ファイバー分散型センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項３５】
光ファイバー分散型温度センサーに沿って温度を決定する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型温度センサーの一端部内に光エネルギを供給し且つ前方方向に伝達させ、
（ｂ）ストークス波長における後方散乱信号を測定し、
（ｃ）前方方向において光エネルギ入力から前記センサーに沿っての種々の点においてのストークス波長においての信号における増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｄ）アンチストークス波長における後方散乱信号を測定し、
（ｅ）前方方向において光エネルギ入力から前記センサーに沿っての種々の点においてのアンチストークス波長における信号においての増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｆ）前記光ファイバー分散型温度センサーの他端内に光エネルギを供給し且つ逆方向に伝達させ、
（ｇ）ストークス波長における後方散乱信号を測定し、
（ｈ）逆方向においての光エネルギ入力から前記センサーに沿っての種々の点においてのストークス波長における信号においての増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｉ）アンチストークス波長においての後方散乱信号を測定し、
（ｊ）逆方向において光エネルギ入力から前記センサーに沿っての種々の点においてのアンチストークス波長においての信号における増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｋ）前記センサーに沿っての任意の与えられた点に関して前方方向及び逆方向においてのストークス波長における測定増分的損失変化の間の差を決定し、
（ｌ）前記センサーに沿っての任意の与えられた点に対して前方方向及び逆方向におけるアンチストークス波長においての測定増分的損失変化の間の差を決定し、
（ｍ）次式により、
【数１ａ】
2004069685.tif 000016
によってｉにおける測定したストークス波長を補正し、
（ｎ）次式によって、
【数１ｂ】
2004069685.tif 000017
によってｉにおける測定したアンチストークス波長を補正し、
（ｏ）前記光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を測定し、
（ｐ）補正したストークスＳｉ及びアンチストークスＡｉ波長を使用して測定した温度を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３５において、可変同調光源がストークス波長における前記光エネルギ及びアンチストークス波長における前記光エネルギを供給することを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３５において、前記光ファイバー分散型温度センサーがボアホール内に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３５において、前記光ファイバー分散型温度センサーが、更に、ファイバーブラッググレーチングを有していることを特徴とする方法。
【請求項３９】
光ファイバー分散型温度センサー測定値を較正する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型温度センサーの一端部内に光エネルギを供給し、
（ｂ）前記一端部においてストークス波長及びアンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つストークス波長における信号のアレイ及びアンチストークス波長における信号のアレイをポピュレートし、
（ｃ）前記光ファイバー分散型温度センサーの他端部内に光を供給し、
（ｄ）前記他端部においてストークス波長及びアンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つストークス波長における信号のアレイ及びアンチストークス波長における信号のアレイをポピュレートし、
（ｅ）次式により、
【数１ａ】
2004069685.tif 000018
によってｉにおける後方散乱されたストークス波長において受取られた測定信号を補正し、
（ｆ）次式により、
【数１ｂ】
2004069685.tif 000019
によりｉにおいて後方散乱されたアンチストークス波長において受取られた測定信号を補正する、
ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
光ファイバー分散型センサーに沿っての興味のあるパラメータを測定する方法において、
（ａ）光ファイバー分散型センサーの一方の端部内に光エネルギを供給し且つ前方方向に伝達させ、
（ｂ）後方散乱信号を測定し、
（ｃ）前記センサーに沿っての種々の点において前方方向における光エネルギ入力から信号における増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｄ）前記光ファイバー分散型センサーの他方の端部内に光エネルギを供給し且つ逆方向に伝達させ、
（ｅ）後方散乱信号を測定し、
（ｆ）前記センサーに沿っての種々の点において逆方向においての光エネルギ入力から信号における増分的損失を決定し且つアレイをポピュレートし、
（ｇ）前記光ファイバー分散型センサーに沿っての任意の与えられた点に対して逆方向における信号においての信号においての増分的損失及び前方方向においての信号における増分的損失の平均を決定し、
（ｈ）前記平均によって前記光ファイバー分散型センサーを使用して行ったパラメータ測定値を調整する、
ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項４０において、前記後方散乱信号がストークス波長において測定されることを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項４０において、前記後方散乱信号がアンチストークス波長において測定されることを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項４０において、前記後方散乱信号がストークス波長及びアンチストークス波長において測定されることを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４０において、前記後方散乱信号がＳＡＲとして測定されることを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４０において、可変同調光源が光エネルギを供給することを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項４０において、前記光ファイバー分散型センサーがボアホール内に配置されることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４０において、前記光ファイバー分散型センサーが、更に、ファイバーブラッググレーチングを有していることを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項４０において、前記光ファイバー分散型センサーが、更に、独立したセンサーを有していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー分散型センサー、及び光ファイバー分散型センサーを使用してパラメータを測定する方法及びパラメータの測定値を較正する方法に関するものである。特に、光ファイバー分散型温度センサーを使用して温度を測定する方法及び温度測定値を較正する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーは、典型的に、コアと、該コアを取囲む同心状のクラッディングと、該クラッディングを取囲む同心状の保護ジャケット又はバッファとを有している。通常、コアはある屈折率を有する透明なガラス又はプラスチックから構成されており、且つクラッディングは異なる屈折率を有する透明なガラス又はプラスチックから構成されている。コア及びクラッディングの相対的な屈折率が主に光ファイバーの機能及び性能を決定する。光ビームが光ファイバー内に導入されると、その光の速度及び方向は異なる屈折率を有する媒体の界面において変化する。両方の媒体の屈折率が既知である場合には、スネルの法則を使用して反射角度及び屈折角度を予測することが可能である。光ファイバーにある光伝搬特性を与えるために媒体の夫々の屈折率を変化させることが知られている。典型的に、最小のパワー損失のために、光が光ファイバーのコアを介して主に伝播することが望ましい。屈折率に加えて、光ファイバーのコアを介しての光の伝播に影響を与えるその他のファクターは、コア及びクラッディングの寸法、光の波長、光の磁界ベクトル及び光の電界ベクトル、光ファイバーの形態、欠陥の存在、曲げ、捻り、皺又は折り目等の環境的効果を包含している。
【０００３】
光ファイバーの１つの利点は、ファイバーの長さに沿っての環境的効果に関する興味のあるパラメータに関する情報を決定することの能力である。光ファイバー内に光エネルギを導入し且つ光ファイバーに沿っての種々の距離から返される後方散乱光を受取ることにより測定が行われる。後方散乱光の特性を特定の距離における興味のあるパラメータに関連付けるために、それから光がファイバーに沿って返される距離を決定するために光時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）を使用することが知られている。このような方法は公知であり且つ発明者がＨａｒｔｏｇｅｔ　ａｌ．の米国特許第４，８２３，１６６号及び発明者がＨａｒｔｏｇである米国特許第５，５９２，２８２号において記載されており、尚、これらの特許の記載内容全体を引用によって本明細書に取込む。ＯＴＤＲにおいては、光エネルギのパルスが光ファイバーへ導入され且つファイバーから帰還する後方散乱光エネルギが時間の関数として観察され、それはそれから後方散乱光が受取られるファイバーに沿っての距離に比例している。この後方散乱光はレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）スペクトル、ブリュアン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）スペクトル、及びラマン（Ｒａｍａｎ）スペクトルを包含している。ラマンスペクトルは最も温度に感応性があり、スペクトルの強度は温度と共に変化するが、３つのタイプの後方散乱光の全ては温度情報を包含している。
【０００４】
光ファイバー（ＦＯ）センサーは、環境的効果が、光ファイバーを介して伝播した光の振幅、位相、周波数、スペクトル内容、又は偏光を変化させることが可能であるという事実を使用している。光ファイバーセンサーは、内因的なものと外因的なものとに分類することが可能である。内因的センサーは、光ファイバーの特性のみに依存することにより周囲の環境的効果を測定し、一方外因的センサーは別の装置と結合されて環境的効果を光ファイバーにおける光の特性における変化へ変換させる。内因的光ファイバー分散型温度センサー（ＤＴＳ）は公知である。このような１つの装置は発明者がＳａｉである米国特許第５，８２５，８０４号に記載されており、尚その特許の開示内容全体を引用により本明細書に取込む。このようなセンサーはマルチモードファイバー（ＭＭＦ）か又は単一モードファイバー（ＳＭＦ）とすることが可能である。単一モード光ファイバーは比較的小さな直径を有しており且つ１つの空間的伝播モードをサポートするに過ぎない。マルチモードファイバーは比較的大きな直径を有するコアを有しており且つ軸方向ではない光線又はモードがコアを介して伝播することを許容する。
【０００５】
典型的に、温度を測定するためにラマンスペクトルが使用され、次式の如くに後方散乱光のラマンスペクトルのストークス成分とアンチストークス成分との間の比に基づいて温度分布が計算される。
【０００６】
【数１】
2004069685.tif 000003
【０００７】
尚、βは係数であり、ｈはプランクの定数であり、νはラマンシフト波長数であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、Ｉａｓはアンチストークス成分であり、Ｉｓはストークス成分である。ストークスとアンチストークスとの比Ｉｓ／ＩａｓはＳＡＲとして記載される。式１を使用して、そこから後方散乱が発生した光ファイバーに沿っての位置における温度を決定することが可能である。
【０００８】
光ファイバー（ＦＯ）分散型センサーに沿っての温度を測定するために、光エネルギがファイバー内に導入され且つ後方散乱された光が励起される。後方散乱信号（光）は、そこから後方散乱が発生したファイバーに沿っての点に関連する情報を包含している。この光を検知し且つ時間シーケンス信号として処理する。従って、光ファイバーに沿っての一次元温度分布が測定される。後方散乱した光の中において、典型的に、ラマンスペクトルは光指向性カップラーによって測定装置へ転送され、それにより、ラマン後方散乱光におけるストークス光及びアンチストークス光がフィルタによって分離され、夫々の光電変換器によって検知され且つそれらの関連する振幅に比例して電気的信号へ変換される。これらの後方散乱された光の成分の間の比に基づいて、又は後方散乱した光のラマンスペクトルの１つの成分のみの測定に基づいて、温度分布を計算することは公知である。
【０００９】
光ファイバーにおいては、後方散乱したストークス及びアンチストークス波長に異なる影響を与えることが可能な損失が存在している。例えば、光ファイバーに導入された光エネルギは、当然、ファイバーを介して伝達する期間中に減衰する。又、曲がり又は接続部等の環境的ストレスに起因する損失が存在する場合がある。これらの損失は測定した後方散乱ストークス及びアンチストークス強度から異なって減算する。これらのストークス波長とアンチストークス波長との間のファイバーの減衰における差異は、ＦＯ分散型センサーに沿っての測定したパラメータにおけるエラーを回避するために対処されねばならない。
【００１０】
ＦＯ分散型センサーを使用して得られたパラメータ測定値は、真のパラメータ測定値と光ファイバー分散型センサーに関して有害な影響によって発生された測定エラーとを有している。限定的なものではない例として、このような有害な影響は、スプライス又はベンド、ファイバーにおける歪み、経年変化又は環境的条件から発生する減衰における変化、時間に関しての測定におけるドリフト、水素混入、又は環境的条件に起因するエネルギ損失を包含している場合がある。このようなエラーはファイバーに沿っての距離に関して累積的である。ある種の測定エラーは、製造業者又は材質構成情報、ベースラインテスト又はスプライス位置等の既知の要素の追跡に基づいて予測することが可能であるが、その他の有害な影響及びそれらが導入する測定エラーの発生及び効果を評価することは困難である。ボアホール（穿孔）パラメータの分散型測定値を得るためにボアホール内に光ファイバーを配置させることが知られており、且つ光ファイバー分散型センサーがボアホール内に配置される場合には、これらの有害な影響及びそれらが関連する測定エラーに対する考慮を行うことが特に困難であることが理解される。ＦＯ分散型センサーを較正する方法に対する必要性が存在しており、且つ分散型温度測定において使用するためにボアホール内に配置される光ファイバーを較正する方法に対する必要性が存在している。
【００１１】
１つの補正方法が発明者Ｔａｎａｂｅ　ｅｔ　ａｌ．である米国特許第５，１０２，２３２号に記載されている。然しながら、この方法は光ファイバー温度基準点を既知の温度に維持することを必要としている。このような基準点を維持することが現実的でない場合がある。例えば、光ファイバーがボアホール内に配置されるようなダウンホール適用例においては、基準点を既知の温度に維持することは不可能な場合がある。
【００１２】
ボアホールにおいてＦＯ分散型センサーを使用してパラメータを正確に決定するためのロバスト即ち堅牢な方法が必要とされている。パラメータ測定の精度は、測定における変化を考慮するために使用されるアルゴリズム又は方法論によって制限される場合があり、このような方法論における制限は、光ファイバーが直線的な形態又はループ形態でボアホール内に配置されるか否かに拘わらずに存在する。ＦＯ分散型センサーを使用して得られたパラメータ測定値を較正する方法は有用である。パラメータ測定値のキャリブレーション即ち較正を包含するＦＯ分散型センサーを使用して得られたパラメータを測定する方法も有用である。光ファイバー分散型温度センサー（ＦＯ−ＤＴＳ）を使用して得られた温度測定値を較正する方法及び測定値のキャリブレーション即ち較正を包含するＦＯ−ＤＴＳを使用して温度を測定する方法に対する特定の必要性が存在している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、光ファイバー分散型センサーを使用して得られたパラメータ測定値を較正する方法及びキャリブレーション即ち較正を包含するパラメータ測定を行う方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＦＯ分散型センサーを使用してパラメータを測定する方法が提供され、本方法は、ＦＯ分散型センサーに沿って興味のあるパラメータを測定し、ＦＯ分散型センサーの長さに沿って位置されている独立したセンサーを使用して前記興味のあるパラメータを測定し、前記独立したセンサーによってなされたパラメータ測定値と前記独立したセンサーの位置における分散型センサーによってなされたパラメータ測定値との間のパラメータ測定値におけるΔＴ１を決定し、且つΔＴ１によってＦＯ分散型センサーによって決定されたパラメータ測定値を調整する、上記各ステップを有している。１実施例においては、ＦＯ分散型センサーがボアホール即ち穿孔内に配置される。特定の実施例においては、該独立したセンサーはボアホール内の特定の興味のある区域内の位置に配置される。１実施例においては、該興味のあるパラメータは温度であり、該ＦＯ分散型センサーは光ファイバー分散型温度センサー（ＦＯ−ＤＴＳ）であり、ΔＴ１は独立した温度センサーによって測定された温度とＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度との間の差である。
【００１５】
本発明の別の形態によれば、光ファイバー分散型センサーを較正する方法が提供され、該方法は、ＦＯ分散型センサーに沿って興味のあるパラメータを測定し、ＦＯ分散型センサーの長さに沿って位置されている独立したセンサーを使用して前記パラメータを測定し、前記独立したセンサーによってなされたパラメータ測定値と前記独立したセンサーの位置における前記分散型センサーによってなされたパラメータ測定値との間の差ΔＴ１を決定し、ΔＴ１を使用して光ファイバー分散型センサーによって決定されたパラメータ測定値を調整する、上記各ステップを有している。１実施例においては、該ＦＯ分散型センサーがボアホール内に配置される。別の実施例においては、該独立したセンサーはボアホール内の特定の興味のある区域内の位置に配置される。１つの特定の実施例においては、該興味のあるパラメータは温度であり、該ＦＯ分散型センサーはＦＯ−ＤＴＳであり、ΔＴ１は、独立した温度センサーによって測定した温度とＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度との間の差である。
【００１６】
本発明の１つの形態によれば、ＦＯ分散型センサーを較正する方法が提供され、該方法は、ＦＯ分散型センサーへストークス波長における光エネルギを供給し、ストークス波長における後方散乱信号を受取り且つ測定し、ＦＯ分散型センサーへアンチストークス波長における光エネルギを供給し、アンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、ＯＴＤＲを使用してＦＯ分散型センサーに沿っての点における後方散乱ストークス及びアンチストークス波長の間の減衰比を計算し、異なる時間においてこれらのステップを繰返し行い、ストークス波長及びアンチストークス波長の時間に関する減衰比における変化を計算し、ストークス波長及びアンチストークス波長の減衰比における時間に関しての前記計算した変化をＦＯ分散型センサーを使用して行ったパラメータ測定値に対して適用する、上記各ステップを有している。このキャリブレーション即ち較正方法の１つの特性の特定の実施例は、該パラメータが温度であり且つＦＯ分散型センサーがＦＯ−ＤＴＳである場合である。
【００１７】
本発明の１つの形態によれば、ＦＯ−ＤＴＳを使用して温度を測定する方法が提供され、該方法は、ストークス波長における光エネルギをＦＯ−ＤＴＳへ供給し、ストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、アンチストークス波長における光エネルギをＦＯ−ＤＴＳへ供給し、アンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、ＯＴＤＲを使用して光ファイバーに沿っての点におけるストークス波長及びアンチストークス波長における後方散乱信号の間の減衰比を計算し、異なる時間においてこれらのステップを繰返し行い、ストークス波長及びアンチストークス波長の時間に関しての減衰比における変化を計算し、ストークス波長及びアンチストークス波長の減衰比における計算した変化をＦＯ−ＤＴＳに沿っての温度測定値に適用する、上記各ステップを包含している。
【００１８】
本発明の別の形態によれば、補正したＳＡＲを計算する方法が提供され、該方法は、ストークス波長における光エネルギを光ファイバーへ供給し、ストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、アンチストークス波長における光エネルギを光ファイバーへ供給し、アンチストークス波長における後方散乱信号を受取り且つその強度を測定し、ＯＴＤＲを使用して光ファイバーに沿っての点において後方散乱ストークス波長及びアンチストークス波長の間の減衰比を計算し、異なる時間においてこれらのステップを繰返し行い、ストークス波長及びアンチストークス波長の時間に関しての減衰比における変化を計算し、測定したＳＡＲを補正係数で乗算する、上記各ステップを有しており、該補正係数がストークス波長とアンチストークス波長の減衰比における時間に関しての計算した変化を有している。
【００１９】
本発明の１つの形態によればＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を決定する方法が提供され、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定し、少なくとも１個の独立した温度センサーを使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１つ又はそれ以上の位置において温度を測定し、該少なくとも１個の独立した温度センサーの各々を使用して測定した温度と該少なくとも１個の独立した温度センサーの夫々の位置におけるＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ１ｉを決定し、且つｉが装備した独立した温度センサーの数として、ΔＴ１ｉだけＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度を調整する、上記各ステップを有している。
【００２０】
本発明の別の形態によれば、ＦＯ−ＤＴＳを較正する方法が提供され、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定し、少なくとも１個の独立した温度センサーを使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１個又はそれ以上の位置における温度を測定し、該少なくとも１個の独立した温度センサーの各々を使用して測定した温度と該少なくとも１個の独立した温度センサーの夫々の位置においてＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ１ｉを決定し、ｉが装備した独立した温度センサーの数としてΔＴ１ｉを使用してＦＯ−ＤＴＳによって決定した温度を較正する、上記各ステップを有している。
【００２１】
本発明は、温度を決定する方法を提供しており、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定し、ＦＯ−ＤＴＳにおける少なくとも１個のファイバーブラッググレーチング（ＦＢＧ）を使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１つ又はそれ以上の位置における温度を測定し、該少なくとも１個のＦＢＧを使用して測定した温度と各夫々のＦＢＧ位置におけるＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ２ｊを決定し、ｊが装備したＦＢＧ温度センサーの数であるとしてΔＴ２ｊを使用してＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度を調整する、上記各ステップを有している。
【００２２】
本発明の別の形態によればＦＯ−ＤＴＳを較正する方法が提供され、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定し、ＦＯ−ＤＴＳにおける少なくとも１個のＦＢＧを使用し、少なくとも１個のＦＢＧを使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１つ又はそれ以上の位置における温度を測定し、該少なくとも１個のＦＢＧを使用して測定した温度と該少なくとも１個のＦＢＧの夫々の位置におけるＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ２ｊを決定し、ｊが装備したＦＢＧ温度センサーの数であるとしてΔＴ２ｊを使用してＦＯ−ＤＴＳを使用して測定した温度を調整する、上記各ステップを有している。
【００２３】
本発明の別の形態によればＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を決定する方法が提供され、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定し、少なくとも１個の独立した温度センサーを使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１つ又はそれ以上の位置における温度を測定し、該少なくとも１個の独立した温度センサーの各々によって測定した温度と該少なくとも１個の独立した温度センサーの夫々の位置におけるＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ１ｉを決定し、ＦＯ−ＤＴＳ内に少なくとも１個のＦＢＧを設け、少なくとも１個のＦＢＧを使用してＦＯ−ＤＴＳに沿った１つ又はそれ以上の位置において温度を測定し、該少なくとも１個のＦＢＧの各々を使用して測定した温度と該少なくとも１個のＦＢＧの夫々の位置におけるＦＯ−ＤＴＳに沿って測定した温度との間の差ΔＴ２ｊを決定し、ｉが独立した温度センサーの数であり且つｊが装備したＦＢＧ温度センサーの数であるとしてΔＴ１ｉ及びΔＴ２ｊに基づいてＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度を調整する、上記各ステップを有している。
【００２４】
本発明の別の形態によれば光ファイバー分散型センサーを較正する方法が提供され、該方法は、分散型センサーに沿ってパラメータを測定し、少なくとも１個の独立したセンサーを使用して前記パラメータを測定し、該光ファイバー分散型センサーに少なくとも１個のＦＢＧを設け且つ該少なくとも１個のＦＢＧを使用して前記パラメータを測定し、該少なくとも１個の独立したセンサーの各々を使用して測定したパラメータと該少なくとも１個の独立したセンサーの位置におけるＦＯ分散型センサーに沿って測定したパラメータとの間の差ΔＴ１ｉを決定し、該少なくとも１個のＦＢＧの各々を使用して測定したパラメータと該少なくとも１個のＦＢＧの位置においてＦＯ分散型センサーに沿って測定したパラメータとの間の差ΔＴ２ｊを決定し、ｉが独立した温度センサーの数であり且つｊが装備したＦＢＧの数であるとしてΔＴ１ｉを使用し且つΔＴ２ｊを使用してＦＯ分散型センサーによって決定したパラメータ測定値を較正する、上記各ステップを有している。
【００２５】
本発明の別の形態のよればＦＯ−ＤＴＳに沿って温度を測定する方法が提供され、該方法は、ＦＯ−ＤＴＳの一端部内に光エネルギを供給し且つ前方方向に伝達させ、光ファイバー分散型温度センサーに沿った位置ｉにおいて光信号を測定し、前方方向における増分的損失変化を決定し、ＦＯ−ＤＴＳの他端部内に光エネルギを供給し且つ逆方向に伝達させ、ＦＯ−ＤＴＳに沿った位置ｉにおいて光信号を測定し、前方方向及び逆方向において位置ｉにおける増分的損失変化を計算し、位置ｉにおいてＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度に対して位置ｉにおいて増分的損失変化によりＦＯ−ＤＴＳにより測定した温度を調整する、上記各ステップを有している。
【００２６】
本発明の更に別の形態によればＦＯ分散型センサーを較正する方法が提供され、該方法は、光ファイバーの一端部内にエネルギを供給し且つ前方方向に伝達させ、ＦＯ分散型センサーに沿った位置ｉにおいて光信号を測定し、前方方向において興味のあるパラメータの増分的損失変化を決定し、ＦＯ分散型センサーの他端部内に光エネルギを供給し且つ逆方向に伝達させ、光ファイバー分散型センサーに沿った位置ｉにおいて光信号を測定し、逆方向において興味のあるパラメータの増分的損失変化を計算し、位置ｉにおいてＦＯ分散型センサーによって行った興味のあるパラメータの測定値に対して位置ｉにおいて増分的損失変化を適用する、上記各ステップを有している。
【００２７】
好適には、該増分的損失変化をストークス、アンチストークス、又はストークス波長及びアンチストークス波長において、又はストークス／アンチストークスの比に関して決定する。特定の実施形態においては、光ファイバー分散型センサーをボアホール内に設け、該センサーによって測定するパラメータがボアホールパラメータであって、ボアホールパラメータとしては、温度、圧力、又は流体組成等がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ＦＯ分散型センサーを使用する場合の懸念事項は、マイクロベンディング損失又は水素の混入によって発生されるスペクトルに沿ってのファイバーの非一様的な減衰等のファイバー特性における変化に起因する配置した後のＦＯ分散型センサーのキャリブレーション即ち較正が失われる可能性である。この懸念事項は、特に、ボアホール（穿孔）環境内にＦＯ分散型センサーを長期間配置させる場合に特に問題となる。何故ならば、光ファイバー即ちＦＯにおける変化を容易にモニタすることは不可能であり、高温及び高圧等の厳しい条件がボアホール環境内において発生し、且つＦＯを交換する費用がかなりのものとなる場合があるからである。このような懸念事項は、現場においてＦＯ分散型センサーを使用して行った測定値を補正するためのキャリブレーション即ち較正方法によって最小とさせることが可能である。このようなキャリブレーション即ち較正方法は、時間に関してＳＡＲにおける予測した変化を計算し、ＦＯ分散型センサーに沿って少なくとも１個の較正用のセンサー又はＦＢＧを設け、ループ形態ＦＯ分散型センサー及びその組み合わせの各端部から測定値を与えることを包含している。
【００２９】
次に図１を参照すると、本発明に基づく第一実施例が示されている。ＦＯ−ＤＴＳに関して説明するが、本発明方法はその他のタイプのＦＯ分散型センサーに対しても適用可能であることを理解すべきである。光ファイバー分散型温度センサー２０を、温度を測定すべき各区域を介して通過するように配置させる。光エネルギ供給源がＦＯ−ＤＴＳ内に光エネルギを導入し且つ後方散乱信号２２が光ファイバーに沿っての光エネルギの帰還によって発生される。後方散乱信号から、ストークス波長及びアンチストークス波長における応答が決定され且つＦＯ−ＤＴＳに沿っての温度分布が式１を使用して決定される。
【００３０】
ＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０がＦＯ−ＤＴＳ２０に接続して示されている。ストークス波長において光を出力することが可能なパルス型光源１２がＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０及びＦＯ−ＤＴＳ２０へ接続している。同様に、アンチストークス波長において光を出力することが可能なパルス型光源１４がＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０及び光ファイバー分散型温度センサー２０へ接続している。本発明方法を温度測定及びストークス波長及びアンチストークス波長における後方散乱光の使用について説明するが、本発明は、その他の分散型パラメータ測定値及びその他の波長スペクトルについて適用することが可能であることを理解すべきである。
【００３１】
光パルスがストークス波長光源１２から供給され、ストークス波長における後方散乱光２２の強度がＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０によって測定される。光パルスがアンチストークス波長光源１４から供給され、アンチストークス波長における後方散乱光２２の強度がＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０によって測定される。ストークス波長及びアンチストークス波長が供給される順番は問題ではない。ＯＴＤＲ技術を使用して、ＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール１０がＦＯ−ＤＴＳ２０に沿っての種々の点においてストークス波長とアンチストークス波長との減衰比を計算する。この減衰比はメモリ１６内に格納される。既知の後の時間においてこの処理が再度繰返し行われ、この２番目のイベントからの減衰比が記録され且つメモリ１６内に格納される。２番目のイベントからの減衰比がプロセッサ１８を使用して１番目のイベントからの減衰比と比較され、時間に関しての減衰比の変化が決定される。
【００３２】
例えばダウンホールパラメータをモニタするためにボアホール内に配置されている場合のようにＦＯ−ＤＴＳの位置が静止状態に止まるものと仮定すると、この時間に関しての減衰比の変化は、ＦＯ−ＤＴＳを使用して後に行われた測定値を較正するために使用することが可能である。時間に関しての減衰比における変化を初期的な測定以後経過した時間期間で乗算することにより、補正係数ΔＡＲを決定することが可能である。
【００３３】
この補正係数を使用して、補正されたＳＡＲは以下のようにして計算することが可能である。
【００３４】
【数２】
2004069685.tif 000004
【００３５】
尚、ＳＡＲｍｅａｓｕｒｅｄは後の時間において測定したＳＡＲである。補正したＳＡＲは、現場においてＦＯ−ＤＴＳにより後の時間に測定した温度をより正確に決定するために式１において使用することが可能である。
【００３６】
別の実施例においては、可変同調光源がストークス波長及びアンチストークス波長において光を供給する。この実施例においては、別々のストークス光源１２及びアンチストークス光源１４の代わりに、ストークス波長及びアンチストークス波長において光を供給するために使用される。このような可変同調パルス型光源の１つはパルス型可変同調レーザーである。
【００３７】
本発明の別の実施例ではＦＯ分散型センサーを提供しており、更にＤＴＳの長さに沿って測定値を較正することが可能な少なくとも１個のゲージを提供している。この較正用の測定は、ＦＯ分散型センサー内に埋め込まれた少なくとも１個のファイバーブラッググレーチング、又は少なくとも１個の独立したセンサー、又はそれらの組合わせを提供することにより実施することが可能である。構成体の温度又は歪み等のパラメータを検知するために光ファイバー内にＦＢＧを埋設することは公知である。このような光ファイバーグレーチングシステムは発明者Ｕｄｄ及びＣｌａｒｋの米国特許第５，３８０，９９５号において記載されており、尚その特許の記載内容全体を引用により本明細書に取込む。又、グレーチングの反射波長が屈折率における変化に起因して温度と共に変化し且つグレーチングのスペーシングが温度により変化することは公知である。
【００３８】
分散型温度センサーシステムはＭＭＦ又はＳＭＦを使用することが可能であるが、ＭＭＦを使用することがより一般的である。単一モードファイバーは比較的小さな直径のコアを有しており、且つＭＭＦは比較的大きなコア直径を有している。本発明の１実施例はＦＯ−ＤＴＳに沿って温度の測定値を決定する方法であり、該方法は少なくとも１個のＦＢＧを使用することを包含している。光ファイバー分散型温度センサーがＳＭＦである場合には、単一で且つ容易に認識可能な温度ピークがＦＢＧによって表示される。光ファイバー分散型温度センサーがＭＭＦである場合には、ＦＢＧセンサーによって複数個のピークが表示され、温度の読みにおける区別の程度は多少低下する。本発明はＳＭＦ、ＭＭＦ、又はそれらの組合わせを使用することを意図している。
【００３９】
図２に示したように、１つの特定の実施例は、ＳＭＦのセグメント３４とＭＭＦのセグメント３６とを有するＦＯ−ＤＴＳを提供することであり、少なくとも１個のＦＢＧがＳＭＦ３４内に配置されている。この形態は、ＭＭＦとＳＭＦとを使用する利点を組み合わせている。図２を参照すると、統合システム２８は光源３０とスペクトルアナライザー３２を有しており、ＳＭＦ３４へ接続している。光源３０は、例えば、ＬＥＤ、同調可能レーザー、又はレーザーダイオードとすることが可能であり、一方スペクトルアナライザー３２は、例えば、ファブリーペローフィルタ、音響−光学的フィルタ、又は光学的スペクトルアナライザー（ＯＳＡ）とすることが可能である。ＭＭＦ３６はＳＭＦ３４へ接続している。ＭＭＦとＳＭＦとの間の接続３８を形成する方法としては、例えばスプライシング又はコネクタの使用等がある。少なくとも１個のＦＢＧ４０がＳＭＦ３４内に配置される。
【００４０】
ＳＭＦの性能と、質問システム２８及びＦＢＧセンサー４０の間にＭＭＦを付加したＳＭＦの性能とを比較するために２つのテストを実施した。図３は１つのテストにおいて反映された正規化したスペクトルを示しており、その場合に、ＳＭＦとＦＢＧとを有する第一の場合４２及びＳＭＦとそのＳＭＦ及びＦＢＧの間に挿入したＭＭＦとを有する第二の場合４４に対して、光エネルギをケーブル内に入力させ且つＦＢＧ４０を使用してスペクトルを測定した。図３は、スペクトルの形状及び中心波長における変化に関して顕著な劣化が存在しなかったことを示している。
【００４１】
別のテストにおいては、光エネルギをケーブル内へ入力させ且つスペクトルを測定した。図４は２つの場合におけるＦＢＧによって反映されたスペクトルを示している。第一の場合５０においては、ＦＢＧ４０をＳＭＦ３４内に設け、それを光源３０とＯＳＡ３２とを有する統合システム２８へ直接的に接続させ、且つスペクトルを測定した。第二の場合５２においては、ＦＢＧ４０をＳＭＦ３４内に設け、それを光源３０とＯＳＡ３２とを有する統合システム２８へ接続されているＭＭＦ３６へ接続させ、且つスペクトルを測定した。これらの場合に対して、ＳＭＦスペクトル５０及びＭＭＦを有するＳＭＦスペクトル５２に対してのパワーにおける差異はＦＢＧ中心波長において約１０ｄＢであることが分かった。接続損失は約２．５ｄＢであることが推定された。
【００４２】
ＦＢＧを使用するダウンホールキャリブレーションの場合のＤＴＳシステムに対する１つの可能な形態を図５に示してある。この分散型温度センサーシステムはＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール６０、ＯＳＡ６２、ＭＭＦか又はＳＭＦのいずれかとすることが可能なＦＯ−ＤＴＳ６４を有している。ＦＯ分散型センサーがＭＭＦである場合には、ある長さのＳＭＦ６６をＭＭＦケーブルの端部に設けることが可能である。好適には、少なくとも１個のＦＢＧ６８を設ける。ＳＭＦの長さ６６がＭＭＦに関連して設けられる場合には、好適には、ＦＢＧ６８がＳＭＦの長さの上に設けられる。然しながら、理解すべきことであるが、本発明は、ＳＭＦの長さのみならずＭＭＦの長さの上に少なくとも１個のＦＢＧ６８を設けることを包含しており、且つＳＭＦを関連して使用することなしにＭＭＦの上に少なくとも１個のＦＢＧ６８を設けることを包含している。各少なくとも１個のＦＢＧはその特定の位置においての温度の測定値を与える。
【００４３】
特定の位置においての温度を測定するために独立した温度センサー７２が使用される。この独立した温度センサーは、光ファイバー温度センサーか、又は例えば電気的クオーツセンサー又は結晶クオーツゲージを有するセンサー等の別のタイプの温度センサーとすることが可能である。高度に精密且つ高度に正確な温度測定が所望される特定の場合においては、ＤＴＳよりもより精密且つ正確な温度測定値を与えることが可能なタイプのゲージを設けることが可能である。独立した温度センサー７２の温度の読み及び独立した温度センサー７２の位置における光ファイバー分散型温度センサー６４の温度の読みを比較することが可能であり且つΔＴ１として差を計算することが可能である。この差は、分散型温度センサーによって得られた温度の読みに対してΔＴ１を適用することによりＦＯ−ＤＴＳ６４の長さに沿ってＦＯ−ＤＴＳ６４を較正するために使用することが可能である。
【００４４】
少なくとも１個のＦＢＧ６８を設けることにより、ＦＢＧ温度測定値及びその位置におけるＦＯ−ＤＴＳの温度測定値の差ΔＴ２を計算することにより少なくとも１個のＦＢＧの位置において温度の補正を決定することが可能である。別の方法は、少なくとも２つのセンサーの間の長さに沿ってのΔＴ１及びΔＴ２の平均を適用することによりＦＯ−ＤＴＳを較正することである。このような平均はＤＴＳに沿っての温度の読みの相対的な位置に基づいて、算術平均又は重み付け（加重）平均とすることが可能である。一方、ΔＴ１及びΔＴ２はＤＳＴに沿って空間的に適用することが可能であり、又はΔＴ１又はΔＴ２のいずれかをＤＴＳに沿っての種々の位置において適用することが可能である。特にΔＴ１及びΔＴ２は、独立したセンサー又はＦＢＧの位置の間、又はスプライス、接続又はベンド等の物理的特徴の既知の位置において適用することが可能である。
【００４５】
図５に示した例はＦＢＧと２個の独立したセンサーとを有しているが、本発明は、又、複数個のＦＢＧ及びＦＯ−ＤＴＳに沿っての複数個の独立したセンサーを使用することを包含している。このような場合において、ΔＴ１ｉはｉ番目の独立した温度センサーとｉ番目の独立したセンサーの位置におけるＦＯ−ＤＴＳの間の温度測値における差を表わしており、且つΔＴ２ｊはｊ番目のＦＢＧとｊ番目のＦＢＧの位置におけるＦＯ−ＤＴＳとの間の温度測定値における差を表わしている。ＦＯ−ＤＴＳのキャリブレーション即ち較正は、ΔＴ１ｉ及びΔＴ２ｊの算術平均又は重み付け平均を適用し、ΔＴ１ｉ及びΔＴ２ｊの関数を適用し、又は光ファイバーにおけるスプライスの位置等のＦＯ−ＤＴＳの既知の特性に基づいてΔＴ１ｉ及びΔＴ２ｊを空間的に適用することにより行うことが可能である。
【００４６】
本発明の１実施例において、光ファイバＤＴＳ及び３個の独立した温度ゲージが垂直セクションと水平セクションの両方を有する水平なウエル（孔井）内に配置させた。垂直セクションはケーシングを設け且つ水平セクションにおいてはグラベルパックチュービングを使用した。水平セクションを３つのゾーンに分離するためにパッカー及び流れ制御弁を使用した。ＦＯ−ＤＴＳをダウンホールの全長に沿って配置させた。この例ではＦＯ−ＤＴＳに対してシングルエンド型の形態を使用したが、ループ形態を使用することも可能であった。電気的クオーツ圧力及び温度ゲージを３つの水平なゾーン各々に設けた。この例においては、電気的クオーツ圧力及び温度ゲージは流れ制御装置と関連していたが、このような関連性は制限的なものではない。その他のゲージ形態及び配置とすることは本発明の範囲内のものである。
【００４７】
図６は地表からボアホール内への距離の関数としてこの実施例におけるＤＴＳによって測定した温度を示している。水平セクションは、温度プロファイルがほぼ平坦である図６の部分とほぼ相関させることが可能であり、それは約１０５０メーターから全体的な深さへかけてである。温度プロファイル（分布）のこのセクションにおいては、３つの温度スパイクが存在しており、それらはＦＯ−ＤＴＳにおける３個のスプライスと相関している。センサーの長さに沿ってのスプライスの位置は後に検討するために配置期間中に注意することが可能であるが、これらのスプライスはスプライス近くの局所的な区域においての分散型センサーのキャリブレーション即ち較正が喪失することに寄与する。キャリブレーション即ち較正の喪失が発生する可能性のある同様の局所的な区域としては、ベンド、歪み又はその他の光ファイバー分散型センサーに悪影響を与える部分である。
【００４８】
図７は制御した条件下において測定し且つ製造業者の情報として提供されるベースライン温度基準と比較した全体的なＤＴＳプロファイルにわたって約６℃の比較的一定なオフセットを示している。このことは、理想的な条件下において、ＦＯ−ＤＴＳは約１℃内の精度を提供することが可能である実質的な変動を表わしている。独立した温度センサーを使用することはこのオフセットに対する補正を行うことを可能とした。温度を、０．１℃未満の精度で１０００メーター近くの独立した電気的温度ゲージを使用して測定し、且つ独立したゲージの温度測定とＦＯ−ＤＴＳによって測定した温度との間の差として補正を計算した。次いで、全体的なＤＴＳプロファイルをこの補正でオフセットさせ、且つダウンホール温度ゲージによって決定した正しい温度に設定した。
【００４９】
図８はダウンホール内のＤＴＳの部分に対し２つの異なる時間において採取したＤＴＳ測定値のオフセットを示している。図６におけるＤＴＳ温度測定におけるスパイクによって示されるように、ＦＯ−ＤＴＳにおけるスプライス近くの位置においてボアホール内の温度を測定するために３個の電気的クオーツ圧力及び温度ゲージを使用した。これらのゲージは約０．１℃の精度を有しており、それによりＦＯ−ＤＴＳ測定値をＦＯ−ＤＴＳシステムの精度内のレベルへ補正することを可能とした。
【００５０】
本発明の１実施例は、図６におけるスプライス又は光ファイバー損失等の物理的障害から全体的な温度エラーに対する補正を行うため、及びファイバー全長にわたってのＤＴＳ測定値の精度を独立した基準ゲージのレベル、即ち１℃より実質的に良好なレベルへ増加させるために、独立した温度ゲージからの温度測定値を使用することを意図している。本発明は、シングルエンド型及びループ型の両方のＤＴＳ形態とすることを意図している。
【００５１】
本発明の別の実施例は、ループ形態に配置されたＦＯ−ＤＴＳに沿っての補正された温度測定値を得るための方法を提供しており、それは、光ファイバーの両方の端部からの測定値を使用することを意図している。この方法は、ファイバーループの両端部からの後方散乱信号（光）から採取された測定値を使用して光ファイバーに沿っての累積的なエラーを推定することを包含している。
【００５２】
一般的に、ＦＯ分散型センサーに沿って、点ｉにおける後方散乱エネルギＥｉは次式で表わされる。
【００５３】
【数３】
2004069685.tif 000005
【００５４】
尚、Ｅｉｎｐｕｔは入力パワーであり、Ｆｉは点ｉにおける後方散乱係数であり且つ種々の光ファイバーに対して公知の温度の関数であり且つ
【数３ａ】
2004069685.tif 000006
【００５５】
は入力点からｉへの分散型ファイバーに沿っての加法的エラーである。入力パワーＥｉｎｐｕｔを測定することが可能である。又、特定の波長における後方散乱信号はＦＯ分散型センサーに沿っての点において測定することが可能である。一方、例えばＳＡＲ等の特定の波長の比をＦＯ分散型センサーに沿っての点において測定することが可能である。典型的に、この測定点はエネルギ入力点である。エネルギＥｉｎｐｕｔを入力した後に、後方散乱エネルギＥｉが発生し、且つ後方散乱エネルギからの信号を測定することが可能であり、入力点において測定した後方散乱信号は任意の点ｉに対してＳｉ＝ｌｎ（Ｅｉ）として示される。この点ｉからの測定した後方散乱信号は、点ｉにおける信号Ｓｉ及び測定点からｉへの分散型ファイバーに沿っての信号の加法的エラー即ち損失を包含している。本発明のこの実施例は、点ｉへの分散型ファイバーに沿っての加法的エラーを推定し且つこの推定及び測定した後方散乱信号を使用して点ｉにおける真の信号Ｓｉを計算する方法を提供している。
【００５６】
後方散乱信号Ｓと入力エネルギとの間の関係は以下の如くに公知である。
【００５７】
【数４】
2004069685.tif 000007
【００５８】
尚、Ｓｉはｉにおける後方散乱エネルギであり且つＦｉは点ｉにおける後方散乱係数である。Ｓｉを決定するために本発明方法を使用し、且つＥｉｎｐｕｔを測定することにより、Ｆｉを計算することが可能である。次いで、種々のタイプ及び形態の光ファイバーに対する既知の製造又はベースライン基準関数と共にＦｉを使用して点ｉにおける温度を決定することが可能である。
【００５９】
本発明の１つの方法によれば、ループの一端部、例えば端部Ｙにおいて光エネルギパルスを供給し、且つ光ファイバーに沿っての点ｉにおける後方散乱波長を記録する。１例として、この方法は、ループ形態の光ファイバーの各端部からにおけるストークス波長及びアンチストークス波長を測定することに関連して説明する。本発明の技術的範囲内に入るものとして特に明示的に意図したものであるが、この方法は、例えば温度測定、その他の波長の測定、又はＳＡＲ等の波長に関連した変数の測定等の累積的エラーを示す場合のあるその他のタイプの測定に対しても適用される。又、本発明は、ストークス波長のみの測定、アンチストークス波長のみの測定、又はＳＡＲのみの場合に使用することが可能であることも意図されている。
【００６０】
ストークス信号の寄与分はＳとして示され且つアンチストークス信号の寄与分はＡとして示される。この方法は、ループ光ファイバーセンサーの一方の端部、例えば端部Ｙへ光エネルギを供給することを包含している。端部Ｙにおいて受取られた後方散乱信号を記録し、且つ１つの点ｉと次の点ｉ＋１との間の信号の強度又は損失の変化を使用して、２つのアレイ、即ちストークス波長における信号に対してのＳｙとアンチストークス波長における信号に対してＡｙをポピュレート（ｐｏｐｕｌａｔｅ）、即ちデータを入力させる。次いで、光ファイバーループの他方の端部、例えば端部Ｚにおいて光エネルギを供給し、且つ光ファイバーに沿っての点において後方散乱波長を記録する。端部Ｚにおいて受取られた後方散乱信号を記録し、且つ１つの点ｉと次の点ｉ＋１との間の信号強度又は損失の変化を使用して２つのアレイ、即ちストークス波長における信号に対してのＳｚとアンチストークス波長における信号に対してＡｚとをポピュレート（データ入力）させる。
【００６１】
１つの点ｉと次の点ｉ＋１との間の損失変化は、ストークス信号及びアンチストークス信号に対するアレイＥＳ及びアレイＥＡによって表わされ、尚Ｅは点ｉと点ｉ＋１との間の強度又は損失における差を表わしている。
【００６２】
ｋ個の点からなるアレイの場合には、次式が成立する。
【００６３】
【数５】
2004069685.tif 000008
【００６４】
光ファイバーに沿っての与えられた点ｉにおいて、端部Ｙ及びＺにおいて等価な光エネルギを仮定すると、端部Ｙから決定したストークス測定値と端部Ｚから決定したストークス測定値との間の差は次式で表わされる。
【００６５】
【数９】
2004069685.tif 000009
【００６６】
且つ端部Ｙから決定したアンチストークス測定値と端部Ｚから決定したアンチストークス測定値との間の差は次式で表わされる。
【００６７】
【数１０】
2004069685.tif 000010
【００６８】
各要素のインクリメント即ち増分は、各点に対しての損失寄与分の２倍を与える。即ち、
【数１１】
2004069685.tif 000011
【００６９】
このことは、温度のみに起因する信号寄与分の推定を以下の如くに行うことを可能とする。
【００７０】
【数１３】
2004069685.tif 000012
【００７１】
ストークス信号及びアンチストークス信号の両方から抽出した信号に対する損失寄与分に基づいて、ＳＡＲを計算することが可能であり且つ各点における温度をこれら２つの波長に対する差分的損失係数を知ることの必要性なしに式１を使用して推定することが可能である。エラーが累積的なものである限り、温度情報を得るために既に処理したデータに対する損失の影響に対する補正を行うために同一の方法を使用することが可能である。
【００７２】
同様に、本発明は、前方方向及び逆方向におけるＳＡＲの直接的測定及び温度に起因する信号損失寄与分の推定を以下の如くに行うことを包含している。
【００７３】
ｋ個の点からなるアレイの場合、
【数１５】
2004069685.tif 000013
【００７４】
各要素のインクリメント即ち増分は各点に対する損失寄与分の２倍を与え、即ち、
【数１７】
2004069685.tif 000014
【００７５】
このことは、以下の如くに温度のみに起因する信号寄与分の推定を行うことを可能とする。
【００７６】
【数１８】
2004069685.tif 000015
【００７７】
図９は、光ファイバーの一端部において入力したエネルギ（前方方向と呼称される）及び光ファイバーの反対側の端部において入力したエネルギ（逆方向と呼称される）から回収したデータ及び本発明を使用して補正したデータの１例を示している。この場合に、ファイバーはその長さに沿って約３０５ｍにおいて冷水を通過しており且つ該ファイバーはその長さに沿って約３０５ｍにおいて高温炉を介して通過している。
【００７８】
該炉の直前及び直後においてファイバー長に沿って約３２５ｍ及び約３６０ｍにおいてファイバーを鉛筆の周りにコイル状とさせることによって局所的な高い損失の領域を誘発させた。主に高い損失点においてのストークスデータ及びアンチストークスデータに対する減衰における差に起因して前方データと後方データとは一致していない。ストークス及びアンチストークスの生のデータを使用することなしにデータを補正した。
【００７９】
本発明の実施例を相補的な形態で結合可能であることは本発明の技術的範囲内のものとして意図されている。例えば、ストークス波長及びアンチストークス波長における光を供給すること、後方散乱信号を測定すること、アレイをポピュレート（データ入力）すること、及びエラーを計算することに関連して、独立的な温度測定位置において計算したエラーを較正するために独立した温度測定を与えることが可能である。本発明はボアホールにおいて同時的に又は異なる時間においてこのような複数の実施例を与えることにより温度の測定又はボアホール特性の較正を行うことを意図している。本発明は、更に、ＳＭＦ、ＭＭＦ、又はＳＭＦとＭＭＦとの組合わせを有するＦＯ−ＤＴＳを使用することを意図している。
【００８０】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストークス波長及びアンチストークス波長における光パルスを使用する本発明の１実施例を示した概略図。
【図２】ＦＯ−ＤＴＳ内にＦＢＧが設けられている本発明の１実施例を示した概略図。
【図３】単一モード光ファイバーにおいてＦＢＧを使用した場合に得られる正規化したスペクトルとマルチモード光ファイバーにおいてＦＢＧを使用した場合に得られる正規化したスペクトルとを示したグラフ図。
【図４】単一モード光ファイバーとマルチモード光ファイバーとを使用したＦＢＧによって得られるスペクトルを示したグラフ図。
【図５】ＦＢＧを使用するダウンホールキャリブレーションを有するＦＯ−ＤＴＳシステムに対する１つの可能な形態を示した概略図。
【図６】ボアホール内のＦＯ−ＤＴＳの配置例に対して距離の関数としての温度及びエラーを示したグラフ図。
【図７】ボアホール内のＦＯ−ＤＴＳの配置例に対して距離の関数としての温度及びエラーを示したグラフ図。
【図８】ボアホール内のＦＯ−ＤＴＳの配置例に対して距離の関数としての温度及びエラーを示したグラフ図。
【図９】前方方向及び逆方向の両方において回収した温度データ及びストークス波長とアンチストークス波長の間の増分的損失変化に対して補正したテ゛ータを示したグラフ図。
【符号の説明】
１０　ＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュール
１２　ストークス波長光源
１４　アンチストークス波長光源
１６　メモリ
１８　プロセッサ
２０　光ファイバー分散型温度センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004069685.tif 000025
【図７】
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【図８】
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【図９】
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