多頻測井信號相敏檢測技術(shù)研究

吳銀川，張家田，嚴正國，蘇娟

（西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引 言

石油電法測井技術(shù)通過發(fā)射不同頻率的激勵信號對應(yīng)不同地層的探測深度，當多種頻率信號同時激勵時，不僅可以提高測井效率，還可以得到地層的多維[1－2]信息，提高精細勘探能力。常見的幅度相位檢測方法有相敏檢測、快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）2種。FFT 方法[3－4]要 求 將所有采集的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中，且為獲得高分辨率和高精度測量結(jié)果，需要采集更多的數(shù)據(jù)，占用更多的內(nèi)存空間；在實時測井系統(tǒng)中，需要高性能的數(shù)字信號處理器完成FFT運算，系統(tǒng)硬件成本較高。相敏檢測技術(shù)[5]通過鎖相檢測確定頻率信號的幅度和相位，在實時檢測系統(tǒng)中可實現(xiàn)邊采集邊計算，計算檢測結(jié)果不需要大量的內(nèi)存空間，計算量小，對硬件要求不高。在石油測井信號檢測中多采用相敏檢測技術(shù)[6－7]，但對相敏檢測技術(shù)的理論研究較少。本文根據(jù)相敏檢測技術(shù)原理，推導(dǎo)出多頻相敏檢波的算法公式，分析算法性能，并通過Matlab軟件進一步仿真，驗證算法的正確性。

1 數(shù)字相敏檢測原理

1.1 相敏檢測原理

數(shù)字相敏檢測原理見圖1所示。其中s（n）為被檢測的信號，cos n和sin n是和s（n）同頻正交參考信號，通過檢測得到信號的幅度Am和相位φ。

圖1 數(shù)字相敏檢波原理

這里假設(shè)

式中，SDC為信號中的直流分量；f為被檢信號的頻率；fs為系統(tǒng)的采樣頻率；N為采樣點數(shù)。根據(jù)圖1檢波原理有

式（4）和式（5）計算結(jié)果含有直流信號、同頻信號、2倍頻信號。其中直流項中含有檢測信號的幅度和相位信息，只要通過合適的低通濾波就可以得到。而原信號中的直流量SDC并未對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。I（n）和Q（n）經(jīng)過低通濾波后有

1.2 多頻相敏檢測原理

假設(shè)待檢測多頻信號為

式中，M表示頻率的個數(shù)。根據(jù)相敏檢測原理，當檢測頻率為fi時，需要給該信號乘以頻率為fi的正交信號cos n和sinn。對含有M個頻率信號的檢測，要依次給該信號乘以同頻的正交信號，每1次檢測只能檢出1種頻率信號的幅度和相位。M個頻率的信號需要做M 次相敏檢波。設(shè)被檢頻率為fk，則有

Ik（n）和Qk（n）含有1個fk、M 個（fi＋fk）以及 M個（fi－fk）頻率成分。當fk和fi相等時，Ik（n）和Qk（n）含有包含幅度和相位信息的直流分量，從而實現(xiàn)Ak和φk的檢測。

1.3 最優(yōu)濾波設(shè)計

要從式（4）至式（5）和式（11）至式（12）檢測出信號的幅度Ak和相位φk，關(guān)鍵是設(shè)計最優(yōu)濾波器，濾除無關(guān)的頻率成分并保留含有幅度和相位信息的直流分量。常用的濾波器是數(shù)字式平均，原理見圖2。

圖2 平均濾波器原理

式中，N為平均點數(shù)；Ts為采樣時間間隔。該系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)h（t）為

對式（14）作傅里葉變換，得到頻率響應(yīng)函數(shù)

對應(yīng)的幅度頻率響應(yīng)為

也就是說當激勵信號e（t）含有的頻率f、采樣頻率fs以及采樣點數(shù)（平均濾波點數(shù)）N三者之間滿足式（18）的要求[即要求對e（t）整周期采樣]，該頻率信號通過濾波器的響應(yīng)為0。利用該性質(zhì)濾除式（11）和式（12）中的多頻交流信號，保留含有待測信號幅度和相位信息的直流信號，從而達到檢測確知頻率信號的目的。

當N＝10時，式（17）對應(yīng)的響應(yīng)曲線見圖3所示。在頻率f為0.1fs、0.2fs、0.3fs、0.4fs和0.5fs時其頻率響應(yīng)為0，濾波器的帶寬為0.0886fs。理論上可以任意減小fs／N（頻率分辨率），得到任意窄帶寬的濾波器。當激勵信號e（t）中含有白噪聲時，帶內(nèi)噪聲影響信號的準確檢測。

圖3 N＝10平均濾波器的幅頻響應(yīng)

2 多頻檢測算法設(shè)計

圖1所示，相敏檢波算法要依次實現(xiàn)N個數(shù)據(jù)的相乘、N個數(shù)據(jù)的相加。當待檢測信號中含有M個頻率時，相敏檢波算法計算量是單頻相敏檢波算法計算量的M倍。假設(shè)待測信號中含有M個頻率，采樣頻率為fs，采樣點數(shù)為N，根據(jù)多頻相敏檢測原理有

式中，X1，…，XM以及Y1，…，YM為M 個頻率的計算結(jié)果；s1（0），…，s1（N－1）為 N 個采樣數(shù)據(jù)。式（20）和式（21）分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的相乘、數(shù)據(jù)的累加平均。式（20）和式（21）可合并為

被檢信號中第i個頻率的幅度和相位為

3 仿真實驗

實驗選用 MIT陣列感應(yīng)測井儀器[8]所選26.325、52.65和105.3kHz的3種頻率信號進行仿真。噪聲為隨機白噪聲，信號采樣頻率為1.053MS／s，采樣點數(shù)為4000，所選參數(shù)滿足式（18）（整周期采樣）的要求。檢測1000次的均值作為檢測值。在Matlab軟件環(huán)境下，采用式（20）至式（24）推導(dǎo)的算法得到仿真結(jié)果如表1所示，其中信噪比定義為信號與噪聲的功率之比。表2所選頻率分別為26.335、52.66和105.31kHz，采樣頻率和采樣點數(shù)不變，此時參數(shù)選擇不滿足式（18）要求，檢測1000次均值作為檢測值。從表1的檢測結(jié)果可以看出，無噪聲時，3種頻率的幅度和相位檢測誤差小于10－13，可驗證檢測算法推導(dǎo)正確；在信噪比低至－10dB時幅度檢測誤差控制在0.5%以內(nèi)，相位檢測誤差控制在0.2%以內(nèi)。從表2的檢測結(jié)果可以看出，無噪聲時，幅度檢測最大誤差為0.04%，相位檢測最大誤差為0.06%，該檢測結(jié)果與信噪比20dB和10dB時誤差基本相同。相同信噪比條件下表1的檢測誤差較小。例如10dB時，表2中26.335kHz幅度誤差是表1幅度誤差的2倍以上，相位誤差是5倍以上。

表1 整周期采樣檢測結(jié)果

表2 非整周期采樣檢測結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）基于相敏檢測原理，推導(dǎo)出多頻相敏檢測的算法。在頻域內(nèi)分析了數(shù)字平均濾波器的響應(yīng)特性，得到多頻檢測時采樣頻率、采樣點數(shù)以及信號頻率之間的約束關(guān)系，在滿足約束條件下，多頻信號檢測各頻率之間無影響。

（2）仿真實驗結(jié)果表明，在信噪比低至－10dB時幅度檢測誤差控制在0.5%以內(nèi)，相位檢測誤差控制在0.2%以內(nèi)。

（3）在實際測井儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中，一方面盡可能提高采集信號的信噪比，另一方面采集參數(shù)選擇滿足約束關(guān)系，從而實現(xiàn)多頻信號高精度檢測。

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