井間電磁成像系統(tǒng)地面與井下同步測量應(yīng)用研究

張慶樂，楊愛鋒

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

井間電磁成像利用低頻電磁波對兩井或多井之間進(jìn)行多點(diǎn)掃描測量，繼而利用計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，測量出電磁信號經(jīng)過地層產(chǎn)生的相位變化和幅度衰減情況，從而得出地層的電阻率信息[1]，生成井間電阻率分布剖面圖。在測井過程中，發(fā)射在一口井中，接收可在另一口井，或在發(fā)射周圍的多口井中。該技術(shù)綜合了電磁感應(yīng)和計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的電法測井相比，井間電磁成像可以探測井間區(qū)域，具有更大的探測范圍，與大地電磁及地面-井電磁法相比，它具有更高的精度，更大的應(yīng)用前景。

相位對于地層電參數(shù)以及位置的敏感性要優(yōu)于幅度的敏感性，必須保證對發(fā)射信號和接收信號進(jìn)行同步測量。然而，系統(tǒng)地面與井下的同步測量是保證發(fā)射信號和接收信號同步測量的基礎(chǔ)，同時(shí)也是重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

為了達(dá)到發(fā)射信號和接收信號同步測量目的，必須保證地面和井下信號的同步。20世紀(jì)90年代，EMI公司推出的XBH-2000型井間電磁成像測井儀發(fā)射和接收的同步通過電纜把發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相連[2]，井下通過模擬鎖相環(huán)路與地面保持同步，但當(dāng)井下溫度升高以及傳輸電纜上受到干擾時(shí)，模擬鎖相環(huán)路無法鎖定，地面與井下同步精度無法保證。隨后，斯倫貝謝公司的DeepLook-EM井間電磁成像測井儀使用GPS進(jìn)行收發(fā)同步，接收和發(fā)射同步精度為3 μs[3]，地面與井下同步電路仍是模擬鎖相環(huán)路，與XBH2000比同步精度有很大提高。GPS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的時(shí)間同步。GPS時(shí)間同步在電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、電力系統(tǒng)[4]等場合有廣泛應(yīng)用。華中科技大學(xué)周凱波等在GPS授時(shí)同步基礎(chǔ)上，采用一定同步方法，對井下接收機(jī)和發(fā)射機(jī)時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行同步授時(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下發(fā)射與接收系統(tǒng)時(shí)間同步，同步精度達(dá)到400 ns，地面與井下利用秒脈沖和絕對時(shí)間對時(shí)進(jìn)行同步[5]，此方法在傳輸電纜上有干擾情況下，未做出相關(guān)分析。

本文提出了在井下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)內(nèi)恢復(fù)出與地面信號同頻、同相(固定相位差90°)的參考信號，用參考信號配合PLL鎖相同步電路和頻率補(bǔ)償電路，完成了井下工作主頻時(shí)鐘源的建立，實(shí)現(xiàn)了地面和井下系統(tǒng)(發(fā)射和接收)的同步。

1 地面與井下同步方案設(shè)計(jì)

井間電磁成像地面與井下同步方案設(shè)計(jì)[6]框圖如圖1所示，地面上信號源產(chǎn)生一方波經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為差分信號，差分信號經(jīng)過幾千米長電纜傳輸?shù)骄?，井下由PLL鎖相同步電路和頻率自適應(yīng)補(bǔ)償電路組成。井下電路接收到信號后，首先經(jīng)調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)換再次轉(zhuǎn)換為單端形式信號，再經(jīng)過PLL鎖相同步電路、頻率自適應(yīng)補(bǔ)償電路，建立井下輸出頻率相位穩(wěn)定的主頻時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)地面與井下系統(tǒng)的同步。

圖1 地面與井下同步框圖

2 地面與井下同步電路設(shè)計(jì)

井間電磁成像要保證地面與井下的同步，這是關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn)。將地面同步脈沖信號通過幾千米電纜傳輸?shù)骄聝x器，現(xiàn)有的方法利用RS-485總線平衡發(fā)送和差分接收。這種信號傳輸方式能夠抑制共模干擾，滿足上千米長距離信號傳輸。需要指出的是，由于測井電纜共7根纜芯，地面向井下發(fā)送的同步參考信號占用2個(gè)纜芯，其它纜芯用于井下儀器的供電和通訊。特別在井間電磁發(fā)射端，井下線圈發(fā)射信號時(shí)，供電電流大，電纜線傳輸?shù)耐絽⒖夹盘柺艿絿?yán)重干擾，造成下傳的同步信號產(chǎn)生毛刺和抖動(dòng)，普通鎖相環(huán)路無法正常鎖定，甚至導(dǎo)致地面與井下系統(tǒng)無法達(dá)到同步。為了減少電磁信號對同步信號造成的干擾，提高差分信號長距離傳輸質(zhì)量，在井下恢復(fù)出比較穩(wěn)定的同步信號，達(dá)到地面與井下系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步，設(shè)計(jì)了一種抗干擾的PLL鎖相同步電路和頻率自適應(yīng)補(bǔ)償電路。

2.1 PLL鎖相同步電路

井下抗干擾PLL鎖相同步電路采用了以數(shù)字鎖相環(huán)為核心的鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路(Phase-Locked Loop，PLL)是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)相位跟蹤系統(tǒng)，是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三個(gè)基本部分組成的負(fù)反饋環(huán)路，通過比較輸入信號和振蕩器輸出信號之間的相位差，產(chǎn)生誤差控制信號來調(diào)整振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號同頻同相，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號的相位同步。其廣泛應(yīng)用于通信、無線電及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)信號處理、調(diào)制解調(diào)、倍頻、時(shí)鐘同步等功能[7]。

傳統(tǒng)的鎖相環(huán)各部件都是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，但是由于其有復(fù)雜的外圍電路，而且容易受電源電壓、環(huán)境溫度和外界電磁場與振動(dòng)的干擾[8]，在周圍環(huán)境干擾較大的情況模擬鎖相環(huán)路往往無法完成信號的鎖定同步。項(xiàng)目中利用一種高速低功耗PLL鎖相環(huán)路來實(shí)現(xiàn)。圖2為PLL鎖相同步電路框圖。

由圖2可知，該電路主要由晶振、反相器、鑒相器、K變?？赡嬗?jì)數(shù)器、脈沖加減電路和除N分頻器構(gòu)成。K變模計(jì)數(shù)器和脈沖加減電路的時(shí)鐘分別為Mfc和2 Nfc，fc是環(huán)路中心頻率，M和N都是2的整數(shù)冪，設(shè)計(jì)中將

圖2 PLL鎖相同步電路框圖

兩時(shí)鐘頻率相同，均為晶振頻率。fin輸入信號井下接收到是地面GPS時(shí)鐘同步接收機(jī)傳輸下來的同步脈沖，fout輸出信號是經(jīng)過PLL鎖相環(huán)路恢復(fù)出來的信號。其原理為：輸入信號為占空比1∶1的數(shù)字信號，用A1(θin),θin代表輸入相位；反饋輸入信號用B(θout)，θout代表環(huán)路輸出信號相位，如圖3所示：

圖3 鎖相同步輸入輸出波形

異或門鑒相器比較輸入信號A1相位和輸出信號B相位之間的相位差

θ=θin-θout

(1)

并輸出誤差信號θ作為K變?？赡嬗?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向信號。環(huán)路鎖定時(shí)，θ為一占空比50%的方波，此時(shí)的絕對相位差為90°，當(dāng)PLL鎖相環(huán)路達(dá)到同步狀態(tài)時(shí)，fin=fout，輸出信號與輸入信號相位差為：

(2)

其中，Kd=4 V/Hz，K是K變模可逆計(jì)數(shù)器參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況而定。

2.2 頻率自適應(yīng)補(bǔ)償環(huán)路

在測井過程中，隨著井下溫度的升高，晶振的值會(huì)有一定的波動(dòng)，時(shí)鐘頻率就會(huì)發(fā)生改變，由于fc=脈沖加減電路時(shí)鐘頻率/2N，fc也跟著發(fā)生變化，由公式(1)可以看出，即使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，輸入信號與同步反饋信號在也存在一定的相差(90°除外)。隨著fc與fin差的增大，相差也就隨之增大。因而需要不斷對晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，確保輸入信號與同步反饋信號在全溫區(qū)相差恒定。項(xiàng)目中，晶振選用20 MHz壓控晶體振蕩器。如圖4所示是頻率補(bǔ)償環(huán)路框圖。

圖4 頻率補(bǔ)償環(huán)路

利用DSP的捕獲模塊，可以測量出壓控振蕩輸出頻率與標(biāo)稱頻率的誤差，將頻率誤差轉(zhuǎn)換為誤差電壓，在標(biāo)準(zhǔn)電壓基礎(chǔ)上增加或者去掉誤差電壓就可以得到精度更高的20 MHz輸出信號。

如圖5所示是DSP捕獲示意圖。A是地面GPS時(shí)鐘同步接收機(jī)輸出同步脈沖頻率為152.587 8 Hz信號，B是壓控晶振輸出頻率20 MHz。同步脈沖的沿抖動(dòng)±50 ns，DSP捕獲模塊捕獲沿引起的計(jì)數(shù)誤差為±1個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器本身有±1個(gè)脈沖。若脈沖捕獲沿間隔時(shí)間為8 s，則頻率測量誤差：

(3)

圖5 捕獲示意圖

D/A輸出的電壓值為0.25～4.75 V，其對應(yīng)的頻率偏移如圖6所示， 如圖6所示是晶體頻率隨電壓變化曲線，從圖中可知，電壓從0.25 V到4.75 V，頻率大概偏移了600 ppm，選擇16位D/A，那么D/A的控制精度為：

圖6 晶體頻率與電壓關(guān)系圖

(4)

由于D/A的控制精度大于頻率的測量精度，因此頻率的測量誤差就可以當(dāng)作振蕩器的頻率誤差，即：20 MHz×0.018 75 ppm=0.375 Hz，實(shí)測中，壓控晶體振蕩器頻率誤差為：20 MHz±2 Hz。由于此壓控晶振在溫度-55 ℃～+125 ℃范圍內(nèi)偏移20 MHz±500 Hz，補(bǔ)償后晶振偏移20 MHz±2 Hz，利用此頻率補(bǔ)償方法較好保證了晶體振蕩器在全溫區(qū)輸出頻率的穩(wěn)定。

3 測試結(jié)果

針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電路驗(yàn)證，給出了測試結(jié)果。由于發(fā)射端工作時(shí)同步信號受供電電纜電流干擾最大，因此，以發(fā)射端測試結(jié)果為例。如圖7所示是地面與井下系統(tǒng)在發(fā)射端不加直流高壓情況下達(dá)到同步狀態(tài)圖。

圖7 地面與井下同步狀態(tài)

圖7中，波形1是井下PLL鎖相同步電路輸入(fin)波形，波形2是經(jīng)過PLL鎖相同步電路恢復(fù)出來的方波(fout)，兩者同步時(shí)相位固定相差90°。如圖8所示為發(fā)射端電纜電流在500 mA時(shí)地面與井下的同步狀態(tài)。

圖8中，波形1是井下PLL鎖相同步電路輸入(fin)波形，波形2是經(jīng)過PLL鎖相同步電路恢復(fù)出來的方波(fout)，兩者同步時(shí)相位固定相差90°。顯然，從圖7看出，同步信號受電纜供電電流影響，經(jīng)過長電纜傳輸后信號上毛刺增多，然而，即使在此情況下該P(yáng)LL鎖相環(huán)路仍能夠完成頻率和相位鎖定，信號達(dá)到同步，由此驗(yàn)證了地面與井下系統(tǒng)同步電路方案的正確性。

圖8 電流500 mA時(shí)同步狀態(tài)

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了井下PLL數(shù)字鎖相環(huán)同步電路，代替了傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)路，提高了電路抗干擾性，使得系統(tǒng)在電纜供電電流增大，同步信號毛刺增多且受環(huán)境干擾較大情況下，仍能夠完成頻率和相位鎖定，實(shí)現(xiàn)了地面與井下系統(tǒng)的同步。

2)隨著井下溫度的升高，晶振的值會(huì)有一定的波動(dòng)，為了保證晶振在工作溫度范圍內(nèi)輸出頻率穩(wěn)定，使用壓控晶體振蕩器代替普通晶振，設(shè)計(jì)了頻率補(bǔ)償環(huán)路，使得晶振隨溫度自適應(yīng)補(bǔ)償，提高了晶振輸出頻率的穩(wěn)定性，為地面與井下系統(tǒng)同步提供了保障。