新型極低頻信號遙測系統(tǒng)的研制

殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長沙學院 電子與通信工程系，長沙 410003）

新型極低頻信號遙測系統(tǒng)的研制

殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長沙學院 電子與通信工程系，長沙 410003）

針對鉆井勘探系統(tǒng)自身特點和極低頻理論的要求，設計了一種基于極低頻信號技術的遙測系統(tǒng)，并重點介紹了其中接收機部分的結構與實現(xiàn)方法。試驗表明，所研制的新型極低頻信號遙測系統(tǒng)性能好、可靠性高，具有良好的工程應用價值。

極低頻信號；遙測系統(tǒng)；信號處理

0 引言

極低頻信號具有很強的穿透能力，因此不受地表水體、其他物體和地下特殊巖層的屏蔽，這可以彌補鉆井勘探對這些地質(zhì)體以下反射弱的缺陷?；跇O低頻信號遙測技術的鉆井勘探設備，具有便攜、易操作、采集數(shù)據(jù)快、探測深度大、機動性強和野外探測成本低等優(yōu)點[1]。同時，在鉆井系統(tǒng)中具備一個先天條件，即鉆桿作為動力設備之外，也是一段很長的金屬導體，它的尺寸符合極低頻理論對天線的要求[2]。本文將介紹基于極低頻信號遙測技術的以鉆桿為天線的遙測系統(tǒng)及其接收機的研制。

1 新型遙測系統(tǒng)及其接收機的設計方案

如圖1所示，系統(tǒng)由兩部分組成：發(fā)射機和接收機。發(fā)射機隨鉆桿放至鉆孔內(nèi)，發(fā)射機前端的傳感器把被測多路參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)一次調(diào)制轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號，經(jīng)井下單片機將數(shù)據(jù)碼和控制碼轉(zhuǎn)換為串行碼，再進行頻率調(diào)制，二次調(diào)制后的信號送到發(fā)射機的功率放大器，然后通過天線發(fā)射出去。發(fā)射天線由鉆桿和井上鉆架組成，鉆桿和發(fā)射機之間用絕緣桿隔開。從鉆桿發(fā)射出的信號，經(jīng)地層傳至地面，接收系統(tǒng)將鉆井架和離鉆井架30米左右的兩點電位差作為輸入信號。接收機把收到的信號放大，去干擾、解調(diào)，在同步脈沖的作用下分離出測量數(shù)據(jù)碼，經(jīng)數(shù)據(jù)綜合處理后，存儲和顯示測量結果[2]。

圖1 鉆井遙測系統(tǒng)結構

如圖2所示，接收機采用單片機為核心的硬件構架。接收機各部分的功能主要包括：信號放大及整形處理、對2FSK信號的濾波、2FSK信號的位同步提取和解調(diào)、測量數(shù)據(jù)碼的提取與數(shù)據(jù)綜合處理、線性參數(shù)設置、數(shù)據(jù)分析結果顯示與系統(tǒng)抗干擾措施。

2 信號放大、濾波、位同步與解調(diào)

圖2 接收機硬件結構

輸入信號來源于微弱的地信號，其中既有調(diào)制信號又夾雜著很強的噪聲，并且隨著鉆頭鉆進的深度變化，信號的輸入動態(tài)范圍很大，因此需要把有用信號從噪聲中分離出來放大，便于后續(xù)電路檢出基帶信號并捕捉到位同步信息。系統(tǒng)選用的精密數(shù)據(jù)放大器AD524的芯片內(nèi)部就集成了輸入保護電路，并具備阻隔直流、高輸入阻抗和高共模抑制比、能完成動態(tài)范圍大的輸入信號的放大的功能，從AD524輸出的脈沖串的形狀不一定規(guī)則，經(jīng)光電耦合再送至整形電路處理。

為了保證濾波效果，采用了兩級數(shù)字濾波法，它是去極值平均濾波與低通濾波法的結合。它的算法為，用放大、整形處理過的每個2FSK矩形脈沖的下降沿去申請中斷，在每相鄰的兩次中斷之間，計數(shù)終值即為采樣值，連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時找出其中最大值與最小值，再從累加和中減去最大值與最小值，按n-2個采樣值求平均即得有效采樣值。數(shù)字濾波在頻率較低時，可非常有效地實現(xiàn)模擬濾波器的特性。

2FSK信號的位同步提取由監(jiān)控程序進行控制和管理，它完成初始化、自檢、更改狀態(tài)、現(xiàn)場保護、中斷服務及參數(shù)選擇等多項任務。2FSK信號的解調(diào)用軟件實現(xiàn)，設置了同步跟蹤和失步強行跳轉(zhuǎn)功能，在測頻過程中，可通過對所測結果實行單一方向移動跟蹤搜索，并在自動診斷嚴重失步后，強行跳轉(zhuǎn)到位同步軟件中去，從而實現(xiàn)位同步的智能化。

3 測量數(shù)據(jù)碼的提取與數(shù)據(jù)綜合處理

主要包括數(shù)據(jù)分離數(shù)據(jù)串變并、數(shù)據(jù)判錯、數(shù)據(jù)鎖存、數(shù)據(jù)變換與處理等幾個方面。數(shù)據(jù)分離軟件功能模塊，完成從連續(xù)不斷的基帶脈沖序列中，識別出每一幀的幀頭，并將兩路測量數(shù)據(jù)與奇偶校驗位從中分離出來。為了進一步提高系統(tǒng)的測量精度，在測量數(shù)據(jù)作轉(zhuǎn)換和鎖存之前，調(diào)用濾波功能中的去極植濾波處理子程序進行處理，從而剔除因奇校驗未能判錯的錯誤碼值。為適應發(fā)射機前端兩路傳感器測量到井下壓力和溫度的數(shù)字量值，接收機端要分別進行線性參數(shù)標度變換和參數(shù)設置，使得測量精度盡可能地得到提高，使接收機的實用性與靈活性增強，可適用于測量范圍更廣的工程測量。

4 系統(tǒng)試驗

本系統(tǒng)分別在實驗室與模擬工程條件下進行了全面的試驗。直通式實驗，用另一臺單片機系統(tǒng)產(chǎn)生標準的2FSK信號，信號的幅值經(jīng)過一個可調(diào)衰減網(wǎng)絡后，直接接入到接收儀的信號輸入端，比如壓力值從0Mpa到100Mpa按大約0.3Mpa的遞增量依次逐增，經(jīng)過長時間的監(jiān)測，從沒發(fā)現(xiàn)過去數(shù)據(jù)或錯數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，其他數(shù)據(jù)測試亦正?！，F(xiàn)場測試時，接收儀的輸入信號來源于兩個地電位差，用一組電纜耦合線圈去耦合接收發(fā)射機輸出負載線圈上的2FSK信號，并以此作為接收機的輸入信號，為了更真實地模擬工程條件，人為地在周圍施加多種干擾源，兩耦合線圈在50cm范圍內(nèi)，接收機工作一切正常。

5 結論

以上分析與試驗結果表明，基于極低頻信號遙測技術的以鉆桿為天線的遙測系統(tǒng)及其接收機，具備良好的技術優(yōu)勢和工程應用價值。其中對極低頻遙測技術中位同步碼與幀同步碼的提取，2FSK信號的解調(diào)及數(shù)據(jù)分離等技術均采用軟件實現(xiàn)，其性能好、可靠性高。作為一臺新型智能儀器，可望在石油、煤炭、地質(zhì)勘探中得以推廣應用。

[1] 侯貴廷, 衣學磊, 等. 超長電磁波遙測技術在渤海深部油氣勘探中的應用[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2001,37(1)： 81-86.

[2] 殷科生, 盛旺, 等. 以鉆桿為天線的鉆井遙測系統(tǒng)的研究[J]. 長沙大學學報, 2005, 19(5)： 60-61.

Development of a new telemetry system for extrem-low frequency signal

YIN Ke-sheng, ZHANG Zhi-gang, LIU Wen-yan, FENG Wan

TP873

A

1009-0134(2011)5(下)-0152-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).48

2010-11-22

湖南省教育廳科研基金資助項目（09C121）

殷科生（1975－），男，湖南邵陽人，副教授，研究方向為檢測技術與自動化裝置。