在多变量光学计算装置中使用偏振器的波长相关的光强调制制造方法及图纸

本公开提供多变量光学计算，其使用偏振器来调制与样本相互作用的光的强度。所述偏振器连同其他装置部件产生光谱强度剖面，所述光谱强度剖面模拟对应于感兴趣样本特性的回归矢量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开大体涉及光学传感器，并且更具体地，涉及多变量光学计算系统，其中使用偏振器来调制与样本相互作用的光的强度，从而确定样本特性。
技术介绍
近年来，已经开发出用于化学传感应用的光学计算装置，包括但不限于，在石油和天然气工业中呈井下或表面设备上的光学传感器形式的光学计算装置，所述装置用来评估各种储层流体性质。一般来说，光学计算装置是被配置来从样本接收电磁辐射输入并且从处理元件产生电磁辐射输出的装置，其中来自处理元件的电磁辐射的测得累积强度与样本内的一个或多个组分相关。光学计算装置可以是例如集成计算元件(“ICE”)。一种类型的ICE是也称为多变量光学元件(“MOE”)的多层光学薄膜光学干涉装置。基本上，光学计算装置利用光学元件来执行计算，这与常规电子处理器的硬连线电路相反。当来自光源的光与物质相互作用时，关于物质的独特物理信息和化学信息被编码在从样本反射、通过样本透射或从样本辐射的电磁辐射中。从而，光学计算装置(例如，通过使用ICE和一个或多个检测器)能够提取物质内的一个或多个特性/分析物的信息，并且将所述信息转换成反映样本的总体性质的可检测输出信号。这类特性可包括例如在物质内存在的某些元素、组合物、液相等的存在。传统ICE包括由各种材料组成的多个光学薄膜层，其复杂的折射
率和尺寸(例如，厚度)在每个层之间变化。传统ICE设计是指传统ICE的各层的基片、数量和厚度，以及基片和层的折射率。层可被策略性地沉积和设置尺寸，以便选择性地传递处于不同波长的电磁辐射的预定部分，所述电磁辐射被配置来大致上模拟对应于感兴趣物质的特定感兴趣物理特性或化学特性的回归矢量。因此，传统ICE设计将展示关于波长进行加权的透射函数。因此，从ICE传送到检测器的输出光强可能与物质的感兴趣物理特性或化学特性相关。当前，通过将ICE回归矢量应用于单个校准数据集(即光谱数据集)来估定ICE设计，以便评估例如但不限于标准校准误差(“SEC”)的性能因数。对描述单个化学系统的光谱数据集执行此过程，所述单个化学系统包含一个或多个组分：其目标特性以及剩余组分(包括光谱干扰物)，通常被称为矩阵。化学系统的子集可用于为验证目的计算性能因数(例如，标准预测误差)；并且表示与校准设置相同的化学系统。例示性ICE可被构造成沉积到光学基片上的高折射率材料和低折射率材料的一系列交替层，这些层具有相关联的厚度。这种装置具有通过估定性能因数(例如，SEC)以及使用最小化函数来设计的光学透射函数(T)，以便调整层厚度来设计具有因此尽可能预测性的最佳性能因数(例如，低SEC)的ICE。因此，多层薄膜ICE的设计和制造可以是非常耗时的和昂贵的。因此，在本领域中存在对于多变量光学计算的更具成本效益的方法的需要。附图说明图1示出根据本公开的某些例示性实施方案的井系统，其中部署有用于样本特性检测的光学计算装置；图2为根据本公开的某些例示性实施方案的利用两个偏振器的光学计算装置的方框图；图3示出根据本公开的某些例示性实施方案的采用可调谐激光器和偏振器的又一个光学计算装置的方框图；以及图4示出根据本公开的某些例示性实施方案的采用偏振器阵列的又一个光学计算装置的方框图。具体实施方式本公开的例示性实施方案和相关方法在以下描述成它们可在光学计算装置中采用，其中与传统ICE相反，使用偏振器来调制与样本相互作用的光的强度，从而确定一个或多个样本特性。为了清晰，本说明书中未描述实际实现方式或方法的所有特征。当然，应了解，在任何这种实际实施方案的开发中，必须做出大量实现方式特定的决策来实现开发人员的特定目标，如符合系统相关约束和业务相关约束，所述目标在不同实现方式间将有所不同。此外，应了解，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。本公开的各种实施方案和相关方法的其它方面和优势将从考虑以下描述和附图变得显而易见。本公开的例示性实施方案和相关方法涉及强度相关的光学计算装置和方法，其用于使用偏振器来执行多变量光学计算。在本文中提出的实施方案通过用一个或多个偏振器替换多层薄膜装置(例如，ICE)来提供传统光学计算的替代性方法，以便产生模拟回归矢量的光谱强度剖面，所述回归矢量加权对应于感兴趣样本特性的正交分量。在操作期间，通过一个或多个偏振器来处理具有给定光强和波长的与样本相互作用的光，所述偏振器调制与样本相互作用的光的强度，从而产生偏振光。选择强度调制水平来模拟对应于样本中存在的特定感兴趣物理特性或化学特性的回归矢量。可通过操纵偏振器的角度定向来改变强度调制水平并且从而改变回归矢量，以便允许检测多个样本特性。最终，由检测器接收偏振光，所述检测器产生由处理器利用以便确定样本特性的输出信号。如本文所用，术语“物质”、“样本”或其变型是指在本文所述的光学计算装置的帮助下将要测试或另外将要评估的感兴趣物质或材料的至少一部分。物质可以是能够流动的任何流体，包括微粒固体、液体、气体(例如，空气、氮气、二氧化碳、氩气、氦气、甲烷、乙烷、丁烷和其他烃气体、硫化氢以及其组合)、泥浆、乳剂、粉末(例如，水泥、混凝土)、钻井液(即“泥”)、玻璃、混合物、其组合。物质可包括但不限于水性流体(例如，水、卤水等)、非水性流体(例如，有机化合物、烃类、油、油的精炼组分、石化产品等)、酸、表面活性剂、杀虫剂、漂白剂、腐蚀抑制剂、起泡剂和发泡剂、断路器、清除器、稳压器、澄清器、清洁剂、处理流体、压裂流体、形成流体，或在石油和天然气工业中常见的任何油田流体、化学品或物质。物质也可以是指固体材料，如但不限于，岩层、混凝土、固体井筒表面、管道或流动线路，以及任何井筒工具或抛射体(例如，球、飞镖、塞等)的固体表面。如本文所用，术语“特性”或“感兴趣特性”是指物质或物质样本的化学性质、机械性质或物理性质。物质的特性可包括在其中存在的一种或多种化学成分或化合物的定量或定性值或与其相关联的任何物理性质。这类化学成分和化合物在本文中可被称为“分析物”。物质的可在本文所述的光学处理元件帮助下进行分析的例示性特性可包括例如：化学组成(例如，总组分或单独组分的身份和浓度)、样本内的组合物的比率、相存在(例如，天然气、石油、水等)、杂质含量、pH值、碱度、黏度、密度、离子强度、总溶解固体、盐含量(例如，盐度)、多孔性、不透明度、细菌含量、总硬度、透射率、物质状态(固体、液体、气体、乳剂、其混合物等)等。如本文所用，术语“电磁辐射”是指无线电波、微波辐射、太赫兹、红外和近红外辐射、可见光、荧光、紫外光、X射线辐射和伽马射线辐射。如本文所用，短语“光学相互作用”或其变型是指电磁辐射在光学
处理元件(例如，ICE)或利用光学计算装置进行分析的物质上、通过其、或从其的反射、透射、散射、衍射或吸收。因此，光学相互作用光是指例如已经使用光学处理元件来反射、透射、散射、衍射或吸收、发射或再辐射的电磁辐射，但也可应用于与物质的光学相互作用。如本文所用，术语“光学计算装置”是指光学装置，其被配置来接收与物质相关联的电磁辐射输入并且从布置在光学计算装置内或以其他方式与其相关联的光学处理元件产生电磁辐射输出。光学处理元件可以是例如ICE。改变与光学处理元件光学相互作用的电磁辐射以便可由检测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定样本的特性的光学计算装置，所述光学计算装置包括：电磁辐射，其与样本光学相互作用以便产生与样本相互作用的光；第一偏振器，其被定位来与所述与样本相互作用的光光学相互作用以便产生第一偏振光；第二偏振器，其被定位来与所述第一偏振光光学相互作用以便产生第二偏振光；以及检测器，其被定位来测量所述第二偏振光并且从而产生用来确定所述样本的特性的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定样本的特性的光学计算装置，所述光学计算装置包括：电磁辐射，其与样本光学相互作用以便产生与样本相互作用的光；第一偏振器，其被定位来与所述与样本相互作用的光光学相互作用以便产生第一偏振光；第二偏振器，其被定位来与所述第一偏振光光学相互作用以便产生第二偏振光；以及检测器，其被定位来测量所述第二偏振光并且从而产生用来确定所述样本的特性的信号。2.如权利要求1所述的光学计算装置，其中所述第一偏振器和第二偏振器的组合光谱强度剖面加权所述与样本相互作用的光的至少一个正交分量，所述至少一个正交分量对应于所述样本的所述特性。3.如权利要求2所述的光学计算装置，所述光学计算装置还包括：宽频带光源，其产生所述电磁辐射；以及波长扫描器，其被定位来与所述电磁辐射光学相互作用，从而产生所述电磁辐射的期望波长。4.如权利要求3所述的光学计算装置，其中：所述第一偏振器和第二偏振器包括执行装置，从而操纵所述第一偏振器或第二偏振器的角度定向；并且所述波长扫描器与所述第一偏振器和第二偏振器可通信地联接在一起，以便实现系统性调谐到所述期望的波长和角度定向，从而模拟回归矢量。5.如权利要求1所述的光学计算装置，其中所述第一偏振器和第二偏振器具有不同的角度定向。6.如权利要求5所述的光学计算装置，其中：所述第一偏振器的所述角度定向限定所述与样本相互作用的光的第一偏振状态；并且所述第二偏振器的所述角度定向限定所述第一偏振光的第二偏振状态，所述第二偏振状态表示在所述第一偏振状态与第二偏振状态之间的强度调制，其中所述强度调制用来确定所述样本的所述特性。7.如权利要求6所述的光学计算装置，其中所述第一偏振状态和第二偏振状态是纯P偏振光、纯S偏振光或中间的P和S偏振光中的任何一个。8.如权利要求1所述的光学计算装置，所述光学计算装置还包括执行装置，其可操作地联接到所述第一偏振器或所述第二偏振器中的至少一个，从而操纵所述第一偏振器或第二偏振器的角度定向。9.如权利要求8所述的光学计算装置，其中：所述第一偏振器可操作地联接到所述执行装置；并且所述第二偏振器是静止的。10.如权利要求8所述的光学计算装置，其中：所述第一偏振器是固定的；并且所述第二偏振器可操作地联接到所述执行装置。11.如权利要求1所述的光学计算装置，所述光学计算装置还包括波长分散元件，其被定位来与所述与样本相互作用的光光学相互作用，从而产生分散的与样本相互作用的光，其中：所述第一偏振器是第一偏振器阵列，其被定位来与所述分散的与样本相互作用的光光学相互作用，从而产生分散的第一偏振光；并且所述第二偏振器是第二偏振器阵列，其被定位来与所述分散的第一偏振光光学相互作用，从而产生分散的第二偏振光，在所述第二偏振器阵列中的每个偏振器具有在所述第一偏振器阵列中的对应偏振器，从而形成一对。12.如权利要求11所述的光学计算装置，其中每对包括不同的角度定向。13.如权利要求11所述的光学计算装置，其中：在所述第一偏振器阵列中的每个偏振器具有相同的偏振；并且在所述第二偏振器阵列中的偏振器具有不同的偏振，所述不同的偏振跨越所述与样本相互作用的光的波长光谱，从而调制所述分散的第一偏振光的强度。14.如权利要求13所述的光学计算装置，所述光学计算装置还包括透镜，其被定位来与所述分散的第二偏振光光学相互作用，从而将所述分散的第二偏振光聚焦到所述检测器。15.如权利要求1所述的光学计算装置，所述光学计算装置还包括信号处理器，其可通信地联接到所述检测器以便可计算地实时确定所述样本的所述特性。16.如权利要求1所述的光学计算装置，其中所述光学计算装置包括井下储层询问系统的一部分。17.一种用于确定样本的特性的光学计算方法，所述方法包括：使电磁辐射与样本光学相互作用以便产生与样本相互作用的光；使所述与样本相互作用的光与第一偏振器光学相互作用以便产生第一偏振光；使所述第一偏振光与第二偏振器光学相互作用以便产生第二偏振光；通过利用检测器来产生对应于所述第二偏振光的信号；以及使用所述信号来确定所述样本的特性。18.如权利要求17所述的光学计算方法，其中产生所述第二偏振光包括使用所述第一偏振器和第二偏振器的组合光谱强度剖面来加权所述与样本相互作用的光的至少一个正交分量，所述至少一个正交分量对应于所述样本的所述特性。19.如权利要求18所述的光学计算方法，所述光学计算方法还包括使所述电磁辐射与波长扫描器光学相互作用，从而产生所述电磁辐射的期望波长，其中所述电磁辐射的所述期望波长与所述样本光学相互作用以便产生所述与样本相互作用的光。20.如权利要求19所述的光学计算方法，所述光学计算方法还包括调谐到所述期望的波长和偏振器角度定向，从而加权所述与样本相互作用的光的所述至少一个正交分量。21.如权利要求17所述的光学计算方法，所述光学计算方法还包括将所述第一偏振器和第二偏振器以不同的角度定向相对彼此定向。22.如权利要求21所述的光学计算方法，其中：使所述与光学相互作用光与所述第一偏振器光学相互作用包括限定所述与样本相互作用的光的第一偏振状态；并且使所述第一偏振光与所述第二偏振器光学相互作用包括限定所述第一偏振光的第二偏振状态，所述第二偏振状态表示在所述第一偏振状态与第二偏振状态之间的强度调制，其中所述强度调制用来确定所述样本的所述特性。23.如权利要求17所述的光学计算方法，所述光学计算方法包括动态操纵所述第一偏振器或第二偏振器的角度定向。24....

【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·普赖斯，大卫·L·珀金斯，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US