井下微弱信號的分析處理與研究

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 王 征 劉升虎 武 園 李 野 房 昭

1 課題研究背景

電路在理想環(huán)境下工作時，不管被測信號是有多么微弱，只要將信號合理放大，就可以對信號進行準確測量。然而，現(xiàn)實中井下工作電路基本上都會受到不同程度的干擾，比如噪聲、振動、高溫、高壓、磨損情況等。因此，檢測微弱信號的時候，如果想提高整個系統(tǒng)的測量精度，提高信號的信噪比就顯得尤為必要。在系統(tǒng)中，抗干擾始終是人們需要考慮的問題，尤其對于微弱信號的采集、遠距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來說，抗干擾性能良好是保證系統(tǒng)可靠性的必要條件。

2 行業(yè)發(fā)展中井下信息無電纜傳輸技術(shù)研究的重要性

此研究是將鉆井過程中的井斜、方位、地層傾角、地層壓力、地層電阻率、巖性密度、自然電位等井下信息實時地傳輸?shù)降孛妫M而對認識地層特性、指導(dǎo)鉆井作業(yè)、提高生產(chǎn)效率、合理開采油氣資源有重要的意義。

隨鉆測井相較于裸眼井測井的優(yōu)勢在于：（1）地層受侵入效應(yīng)的影響?。唬?）所獲取的地層信息更真實；（3）鉆井的進尺速度較慢，有利于進行精細測井。但是隨鉆測井需要向地面?zhèn)鬏數(shù)男畔⒘亢艽螅F(xiàn)有的泥漿壓力脈沖傳輸速率很難滿足實際的生產(chǎn)需求。目前，井下信息傳輸體制已成為制約隨鉆測井進一步發(fā)展的桎梏，因此，進行井下信息傳輸技術(shù)的研究已經(jīng)迫在眉睫。

3 井下信息無電纜傳輸技術(shù)研究中信號處理分析的必要性

信號的傳輸是通過生產(chǎn)油井的油管和套管作為傳輸路徑實現(xiàn)傳輸，使用電路等效傳輸線的方法，即不需要傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道，比如電纜、光纖等，此方法稱為“無線傳輸”。在無線傳輸中，用電路來等效傳輸線則變得尤為重要。采用電纜傳輸本身就具有一定的難度，此時又要通過電路來等效電纜采集信號，由于井下環(huán)境復(fù)雜，信息會受到不同程度的干擾，因此，所采集的信號通常比較微弱，若要研究分析該信號，則需要通過信號處理電路。信號處理電路采用了數(shù)字信號處理器，它的主要功能是通過高速A/D對接收的微弱信號進行采集、放大、濾波等處理，并將結(jié)果保存在存儲器中，同時通過串口進入計算機，應(yīng)用計算機中的軟件進行模擬仿真，對井下所采集的信息進行處理和分析，進而得知井下的巖層結(jié)構(gòu)及油氣藏所在的位置。

4 信號處理的實現(xiàn)

（1）信號處理功能的實現(xiàn)

如圖1所示，通過傳感器采集井下微弱信號傳輸至地面，通過放大電路將微弱信號進行放大處理，再進行A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于處理與分析；然后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入到DSP系統(tǒng)進行處理，此時應(yīng)注意該系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，進而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；接下來將結(jié)果保存在存儲器中，通過串口進入計算機，實現(xiàn)信號處理功能。

圖1 信號處理程序框圖

（2）DSP系統(tǒng)

數(shù)字信號處理就是用數(shù)值計算的方法對信號進行處理，這里“處理”的實質(zhì)是“運算”，處理對象則包括模擬信號和數(shù)字信號。[2]其優(yōu)勢：1、可程控；2、穩(wěn)定性好；3、可重復(fù)性；4、抗干擾性能好等。[3]而數(shù)字信號處理器（DSP系統(tǒng)），是一種適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用在于實時地快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

5 方案設(shè)計

（1）前置放大器

在井上接收電路中，前置放大器是微弱信號檢測儀器裝置中的主要部件，因此，在本方案中涉及到了前置放大電路的設(shè)計。從理論計算、計算機仿真及實際電路調(diào)試等方面著手設(shè)計了與之相匹配的前置放大電路，同時完成了地面接收系統(tǒng)的相干解調(diào)電路設(shè)計，利用計算機軟件完成了終端用戶界面的設(shè)計，最終實現(xiàn)與計算機的通信。

（2）采樣定理

采樣定理，又稱香農(nóng)采樣定律、奈奎斯特采樣定律，是現(xiàn)代數(shù)字信號處理的理論之一。為了不失真地恢復(fù)模擬信號，采樣頻率fs應(yīng)該不小于模擬信號頻譜中最高頻率fc 的2倍（ f s≥2f c）。采樣定理的重要性在于它是連續(xù)時間信號和離散時間信號之間的橋梁，所以本方案嚴格遵守采樣定理，確保方案設(shè)計的可行性。[1]

（3）調(diào)制解調(diào)

數(shù)字信號處理中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可以將低頻的基帶信號搭載到高頻載波信號上，經(jīng)過對傳輸信號的頻率搬移，使之找到更加合適的信號傳輸頻率段，并在此進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)的抗干擾能力明顯得到提升，同時信號的傳輸效率也隨之提高。

信號調(diào)制選擇FSK（頻儀鍵控），之所以采用FSK方式進行調(diào)制，是因為采用FSK方式調(diào)制的信號比采用ASK（振幅鍵控）方式調(diào)制的信號具有更好的抗干擾性，而FSK調(diào)制的實現(xiàn)技術(shù)比PSK（相移鍵控）調(diào)制的要求要簡單。綜合考慮，采用FSK方式進行信號調(diào)制。用其他兩種信號調(diào)制方式作實驗對比。[4]

（4）調(diào)試

整個方案執(zhí)行到最后階段，調(diào)試環(huán)節(jié)也是不容小覷。一個好的調(diào)試方案，能及時合理的在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，從而通過進一步改進，最終提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

經(jīng)過一系列的電路處理提取其中的有用信號并得到了一定的實用效果，主要研究了信號的處理與分析，成功進行了信號的調(diào)制，對信號接收調(diào)理進行了分析與研究，簡要討論了濾波與檢波，實現(xiàn)了FSK信號的解調(diào)工作。單獨增加信號輸入電壓或功率，接收端信號電壓幅值將增大。通過對信號的處理與分析，找出了可以使井下數(shù)據(jù)能穩(wěn)定，可靠以及衰減幅度較小的無線傳輸頻帶。和理論的數(shù)據(jù)結(jié)果有較小的出入，為井下無線傳輸?shù)倪M一步發(fā)展提供了參考。

在課題的研究過程中，將微弱信號中的強噪聲濾除，并對有用信號再放大后利用計算機終端進行處理分析，既簡單又直接是未來的一個大方向。本文主要是對井下的信息處理與分析得到相應(yīng)的結(jié)論，對信號調(diào)理補償電路還未進行深入的研究。在今后的學(xué)習(xí)中，我們將進一步進行深入的研究與探索，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持久性，還需要作大量現(xiàn)場試驗研究工作。

[1]于慧敏.信號與系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社教材出版中心,2003,4(2):186.

[2]高西全,丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2016(4):1.

[3]彭啟琮,李玉柏,管慶.DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2013,5(3):2.

[4]杜睿攀.隨鉆測量數(shù)據(jù)的井下無線電磁傳輸系統(tǒng)設(shè)計研究[D].西安:西安石油大學(xué),2013.5:40.