使用集成计算元件结构重建光谱制造技术

在光学计算设备中设计且利用两个或更多个集成计算元件(“ICE”)结构以组合地重建样本的光谱图案。为了设计所述ICE结构，从训练光谱导出主成分分析(“PCA”)加载矢量。此后，选择具有与所述PCA加载矢量匹配的光谱图案的两个或更多个ICE结构。然后，可制造所述选择的ICE结构并将其集成到光学计算设备中。在操作期间，使用所述ICE结构来重建所述样本的高分辨率光谱数据，所述高分辨率光谱数据用以确定各种样本特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用集成计算元件结构重建光谱
本专利技术大体上涉及集成计算元件(“ICE”)结构且更具体来说，涉及具有组合地重建样本的光谱的光谱功能的ICE结构。
技术介绍
近年来，已开发光学计算技术用于石油和天然气行业的应用。一种这样的技术涉及确定井下流体的光学密度(即吸光度)-其可向操作员通知井下流体的各种特性。然而，记录400到1100nm光谱区中的井下流体的高分辨率光谱是非常困难的，这主要是由于两个原因：首先，苛刻、高温、高压的井下条件阻止井下使用能够提供高分辨率光谱的复杂的基于光栅或傅立叶变换的仪器。其次，由于可见光及短近红外光谱区中的石油的光学密度高(高度不透明)，故需要高功率光源及灵敏的探测器来解析光谱，这增加了井下功率要求并使该工具不那么坚固及稳健。迄今为止，为解决此等问题，石油和天然气行业依靠使用窄带光学滤波器，这是因为它们在井下环境中具有弹性然而，这些窄带滤波器仅可记录非常低分辨率的光谱(即，跨光谱的四个或更少的光学通道)。此类低分辨率数据光谱无法提供对井下环境进行高精度测量所需的大量数据。附图说明图1说明可根据本专利技术的实施例制造的说明性ICE结构；图2说明根据本专利技术的说明性实施例的ICE结构设计系统的框图；图3是根据本专利技术的某些说明性方法的用于设计ICE结构的方法的流程图；图4是绘制沿着0到650nm的带宽的各种训练光谱的透射率的曲线图；图5是绘制根据本专利技术的某些说明性方法的用以设计ICE结构的三个PCA加载矢量A、B及C的曲线图；图6是示出了样本的原始透射光谱图案与使用本文描述的ICE结构重建的透射光谱图案的归一化比较的曲线图；图7说明根据本专利技术的某些说明性实施例的用于询问样本的光学计算设备的框图；图8A及8B分别说明随钻测井应用及有线应用中使用的光学计算设备；图9是根据本专利技术的某些说明性方法的光学计算方法的流程图。图10是根据本专利技术的某些其他说明性方法的替代光学计算方法的流程图。具体实施方式下文描述本专利技术的说明性实施例及相关方法，因为它们可用于ICE设计、制造和使用的方法中。为了清楚起见，本说明书中并未描述实际实施方案或方法的所有特征。应当明白的是，在任何此类实际实施例的发展中，必须做出许多实施方案所特有的决定以实现开发者的具体目的，诸如符合系统相关和业务相关约束，其在不同的实施方案之间将是不同的。另外，应当明白的是，此开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本专利技术的本领域普通技术人员而言，它们将是常规工作。考虑以下描述和附图，本专利技术的各种实施例和相关方法的进一步的方面和优点将变得显而易见。本专利技术的说明性实施例涉及用于具有预定义透射光谱图案的宽带ICE结构的设计技术。然后在光学计算设备中使用两个或更多个所设计的ICE结构以组合地重建样本的光谱图案。为总结一般化设计方法，获得一个或多个样本的光学训练光谱。然后导出对应于所述训练光谱的主成分分析(“PCA”)加载矢量。此后，选择具有与PCA加载矢量匹配的光谱图案的两个或更多个ICE结构。然后可制造所选择的ICE结构且将其集成到可用于多种应用的光学计算设备。在操作期间，使用两个或更多个ICE结构来重建样本的高分辨率光谱数据，然后可将其输出为光学密度数据或样本组成数据。如先前所述，可在光学计算设备中利用本文描述的说明性ICE结构。光学计算设备是被配置为接收来自物质或物质样本的电磁辐射的输入并且产生来自处理元件的电磁辐射的输出的设备。处理元件例如可为ICE结构。基本上，与常规电子处理器的硬接线电路相反，光学计算设备利用光学元件执行计算。当电磁辐射与物质相互作用时，关于物质的唯一的物理和化学信息被编码在从样本反射、透射穿过样本或自样本辐射的电磁辐射中。此信息通常被称为物质的光谱“指纹”。因此，通过使用ICE结构，光学计算设备能够提取物质内的多个特性或分析物的光谱指纹的信息，并将该信息转换成关于样本的整体性质的可检测的输出。参考图1，说明可通过利用本文描述的说明性设计工艺制造的说明性ICE结构100。ICE结构100可包含多个交替层102及104，例如分别是硅(Si)和石英(SiO2)。虽然受益于本专利技术的本领域普通技术人员将理解，这些层分别由其折射率是高和低的材料组成，但层材料的其他非限制实例包含铌、锗及氧化锗、MgF，SiO以及其他高折射率和低折射率材料。层102、104可策略性地沉积在光学基板106上。在一些实施例中，光学基板106是BK-7光学玻璃。在其它实施例中，光学基板106可为其他类型的光学基板，例如石英、蓝宝石、硅、锗、硒化锌、硫化锌或各种塑料，例如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、钻石、陶瓷等，如本领域已知。在相对端处(例如，与光学基板106相对)，ICE结构100可包含通常暴露于设备或装置周围的环境空气的层108。层102、104的数量以及每层102、104的厚度可使用常规的光谱仪从样本物质的特性的光谱分析获取的光谱属性确定。样本的给定特性的感兴趣的光谱通常包含任何数量的不同波长。应该理解的是，图1中的说明性ICE结构100实际上并不表示给定样本的任何特定特性，而只是为了说明目的而提供。因此，如图1中所示，层102、104的数量及其相对厚度与给定样本的任何特定特性无关。层102、104及其相对厚度也不一定按比例绘制，因此不应被认为是限制本专利技术。此外，受益于本专利技术的本领域技术人员将容易地认识到，构成每个层102、104的材料可取决于应用、材料的成本和/或材料对样本物质的适用性而变化。例如，层102、104可由(但不限于)硅、石英、锗、水、其组合或其他感兴趣的材料制成。此外，那些相同的技术人员将认识到，层102的物理厚度本质上是说明性的，且因此可以根据需要改变。多个层102、104展现不同的折射率。通过适当地选择层102、104的材料以及其相对厚度和间隔，说明性ICE结构100可以被配置成选择性地通过/反射/折射不同波长的光(即，电磁辐射)的预定部分，其在本文也称为ICE结构的光谱图案。如本文描述，ICE结构的层数量和层厚度被设计成使得其具有组合地重建样本的光谱图案的透射光谱图案，因此提供可用于确定样本光谱密度(吸光度、透射率等)或组成的高分辨率数据。因此，对于ICE设计工艺来说，层数量、层厚度及间距的选择是至关重要的。鉴于上述情况，图2展示根据本专利技术的说明性实施例的ICE设计系统的框图。如本文将描述，ICE设计系统200提供用于ICE设计及分析的平台以促进快速且有效地选择具有所需光谱图案的两个或更多个ICE结构。本文描述的ICE设计系统200的说明性实施例利用样本训练光谱的PCA分解作为设计具有匹配PCA加载矢量的光谱图案的ICE结构的基础。在所选择的ICE结构已被设计、制造并集成到光学计算设备中之后，可使用由每个ICE结构的对应检测器的响应而加权的ICE结构光谱输出的线性组合来重建未知样本的光谱图案。因此，如本文所述，本专利技术使用简单且坚固的光学设计来提供流体样本的高分辨率测量。参考图2，ICE设计系统200包含至少一个处理器202、非暂时性计算机可读存储装置204、收发器/网络通信模块205、可选的I/O设备206以及可选的显示器208(例如，用户界面)，其等全部通过系统总线209互连。在一个实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设计集成计算元件(“ICE”)结构的方法，所述方法包括：获得一个或多个样本的光学训练光谱；导出描述所述训练光谱的两个或更多个主成分分析(“PCA”)加载矢量；及选择具有与所述PCA加载矢量大致上匹配的光谱图案的两个或更多个ICE结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种设计集成计算元件(“ICE”)结构的方法，所述方法包括：获得一个或多个样本的光学训练光谱；导出描述所述训练光谱的两个或更多个主成分分析(“PCA”)加载矢量；及选择具有与所述PCA加载矢量大致上匹配的光谱图案的两个或更多个ICE结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述光学训练光谱包括使用光谱仪获得高分辨率光谱。3.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述光学训练光谱包括在可见或红外光谱区的至少一个中获得所述光学训练光谱。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括制造所述选择的ICE结构。5.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述被制造的ICE结构集成到光学计算设备中。6.一种系统，其包括实施根据权利要求1至5所述的任一方法的处理电路。7.一种计算机程序产品，其包括指令，所述指令在由至少一个处理器执行时，致使所述处理器执行根据权利要求1至5所述的任一方法。8.一种光学计算设备，其包括使用根据权利要求1至5所述的任一方法制造的多个集成计算元件(“ICE”)结构。9.一种光学计算方法，其包括：将光学计算设备部署到井筒中；及使用所述光学计算设备获得井下样本的原位高分辨率光谱数据。10.根据权利要求9所述的光学计算方法，其中获得所述高分辨率光谱数据包括：使电磁辐射与样本光学地相互作用以产生样本相互作用的光；使所述样本相互作用的光与两个或更多个集成计算元件(“ICE”)结构光学地相互作用以产生具有与预定义主成分分析(“PCA”)加载矢量大致上匹配的光谱图案的两个或更多个光学相互作用的光；及使所述光学相互作用的光与两个或更多个检测器光学地相互作用以由此产生用以组合地重建所述样本的光谱图案的两个或更多个信号，其中所述重建的光谱图案包括所述高分辨率光谱数据。11.根据权利要求9所述的光学计算方法，其中使用由与每个集成计算元件(“ICE”)结构相关联的检测器响应而加权的ICE结构的高分辨率光谱数据的线性组合来实现获得所述样本的所述高分辨率光谱数据。12.根据权利要求9所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴斌，C·琼斯，陈顶顶，
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