一種偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼及其在油氣壓裂智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王永兵,何繼善

(1.湖南繼善高科技有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中南大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

偽隨機(jī)信號(hào)是一種看起來(lái)像隨機(jī)的、沒(méi)有規(guī)律的，但實(shí)際上卻是有規(guī)律的、并不隨機(jī)的信號(hào)。除了大地電磁(MT)法和自然電場(chǎng)(SP)法利用天然電(磁)場(chǎng)作為場(chǎng)源外，電法勘探均需要使用一定的人工源作為信號(hào)激勵(lì)源，如：直流(DC)法采用直流電源供電，激發(fā)極化(IP)法和人工源電磁法(CSAMT或TEM)多采用連續(xù)的周期性的矩形方波來(lái)激勵(lì)(雖然原則上也可以用正弦電流波)。本文涉及的偽隨機(jī)信號(hào)，是一種適用于電法勘探的以an序列為基礎(chǔ)的偽隨機(jī)信號(hào)。在可控源電法勘探技術(shù)中，應(yīng)用偽隨機(jī)信號(hào)，通過(guò)特定的收發(fā)技術(shù)來(lái)識(shí)別目標(biāo)體[1]，在地球物理勘探設(shè)備中已經(jīng)有相當(dāng)廣泛和成熟的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)研制的主流偽隨機(jī)信號(hào)源地球物理勘探設(shè)備[2]基本上采用2n偽隨機(jī)序列。這種序列是一種2倍頻差的對(duì)數(shù)等間隔偽隨機(jī)信號(hào)序列，其特點(diǎn)是頻差大，頻率覆蓋范圍廣，在石油、天然氣、大地構(gòu)造等勘探中應(yīng)用效率更高，效果更好[3-4]。但是，在金屬礦、油氣壓裂監(jiān)測(cè)或小目標(biāo)體探查等精細(xì)勘探中，單一的2n偽隨機(jī)序列由于頻差大，頻譜密度不夠，無(wú)法取得很好的效果。

因此，現(xiàn)在亟需一種偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法來(lái)解決上述問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種基于x×an與y×bn序列的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法，應(yīng)用該方法可以設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需要的組合式偽隨機(jī)信號(hào)，從而為多種偽隨機(jī)信號(hào)應(yīng)用提供一種便捷、通用的技術(shù)方法手段。

1 基于x×an與y×bn序列的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法

an偽隨機(jī)信號(hào)是一種含有按2進(jìn)制分布的k個(gè)主頻率的編碼信號(hào)，是利用1,0，-1三元素集合中的自封閉加法[5]原理，它有著自身的編碼規(guī)律。這種編碼具有一定的隨機(jī)性，元素1和-1呈不等間距相間出現(xiàn)，出現(xiàn)的概率相等，又具有周期性，可以預(yù)先確定和重復(fù)產(chǎn)生，并非真正的隨機(jī)，所以稱為“偽隨機(jī)編碼”。一個(gè)典型的例子：當(dāng)a=2，k=7時(shí)，偽隨機(jī)信號(hào)編碼的頻譜圖如圖1所示。

圖1 偽隨機(jī)信號(hào)頻譜圖(7頻波)

1.1 方法的背景技術(shù)對(duì)比

應(yīng)用現(xiàn)代電子電路技術(shù)、編程技術(shù)等產(chǎn)生這種偽隨機(jī)波形，目前采用的方法[6-9]主要是：

方法1：運(yùn)用單純的與門、或門、非門、計(jì)數(shù)器等基本的電子電路集成芯片，以及一些基本電子元器件輔助，通過(guò)一定的電子電路組合設(shè)計(jì)，直接產(chǎn)生需要的偽隨機(jī)編碼序列并輸出。

方法2：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用通用可編程邏輯器件(CPLD)，對(duì)于特定的、有一定規(guī)律的(例如對(duì)于n較小，a=2的an偽隨機(jī)信號(hào))偽隨機(jī)序列，應(yīng)用可編程邏輯器件內(nèi)部的與門、或門、非門、計(jì)數(shù)器等基本邏輯單元的特定組合，直接產(chǎn)生需要的偽隨機(jī)編碼序列并輸出。

方法3：借助matlab軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序單元或電路仿真單元生成相對(duì)簡(jiǎn)單的M碼偽隨機(jī)編碼序列。

方法4：利用畫圖軟件或其他工具軟件直接畫出偽隨機(jī)波形生成過(guò)程，手動(dòng)列出偽隨機(jī)編碼序列。

但是這些背景技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的缺陷：

1) 方法1設(shè)計(jì)的電子線路比較復(fù)雜，電子器件應(yīng)用較多，集成度低，且只能設(shè)計(jì)生成一些特定的、較簡(jiǎn)單的、波形序列不復(fù)雜的、單一的偽隨機(jī)信號(hào)，對(duì)于通用的、較復(fù)雜的偽隨機(jī)信號(hào)波形無(wú)能為力。

2) 相對(duì)于方法1，方法2雖然所使用的電子元器件較少，電子線路簡(jiǎn)單，集成度高，但是邏輯設(shè)計(jì)方式復(fù)雜，靈活性極差，只能用來(lái)產(chǎn)生一些相對(duì)復(fù)雜或規(guī)律特別的偽隨機(jī)信號(hào)波形，且不能根據(jù)需求快速地改變邏輯設(shè)計(jì)方式，產(chǎn)生偽隨機(jī)編碼序列，更不能產(chǎn)生一些大而長(zhǎng)且較復(fù)雜的組合偽隨機(jī)編碼序列。

3) 方法3往往用來(lái)產(chǎn)生一些單一的偽隨機(jī)編碼序列，對(duì)于組合形式的編碼比較困難，也比較繁瑣。

4) 方法4適用于序列長(zhǎng)度較短，且復(fù)雜度較低的簡(jiǎn)單的偽隨機(jī)編碼序列。

本文所研究的方法主要是以an偽隨機(jī)信號(hào)序列為基礎(chǔ)，運(yùn)用現(xiàn)代編程技術(shù)，通過(guò)給定的波形組合形式、配比等參數(shù)自動(dòng)產(chǎn)生符合偽隨機(jī)信號(hào)編碼規(guī)律的混合偽隨機(jī)信號(hào)序列。

本方法將基本的an偽隨機(jī)信號(hào)序列進(jìn)行擴(kuò)展，提出了一種基于x×an與y×bn序列組合形式的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法，運(yùn)用該方法可以對(duì)大而長(zhǎng)和較復(fù)雜的組合偽隨機(jī)信號(hào)波形進(jìn)行編碼，并自動(dòng)生成碼流。

1.2 編碼實(shí)現(xiàn)流程

方案的主要流程是：根據(jù)給定的x，y，a，b，波形長(zhǎng)度L(L為大于1的奇數(shù)自然數(shù))及x×an與y×bn的組合配比，以及輸出波形的最低頻率分量頻率Fl、最高頻率分量頻率Fh，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)源頻率fg、信號(hào)采集頻率fs、采集長(zhǎng)度N、序列長(zhǎng)度YN等參數(shù)。為了保證輸出碼流的精度，需要提高采樣密度，通常情況下滿足fs=fg×G(G為大于2的自然數(shù))。輸出的碼流通常為一個(gè)波形循環(huán)周期T內(nèi)的所有位碼。采集長(zhǎng)度即為當(dāng)前采樣率下，一個(gè)波形循環(huán)周期T內(nèi)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N=T×fs。輸出編碼位序列長(zhǎng)度即為當(dāng)前驅(qū)動(dòng)源頻率下，一個(gè)波形循環(huán)周期T內(nèi)所有驅(qū)動(dòng)脈沖個(gè)數(shù)YN=T×fg。很容易理解，驅(qū)動(dòng)源頻率fg的周期即為偽隨機(jī)編碼波形的最小脈沖寬度，其頻率即為an序列與bn序列所有頻率分量最小公倍數(shù)的2倍。對(duì)于驅(qū)動(dòng)源頻率fg，一個(gè)波形循環(huán)周期T的確定，需要分為多種情況處理：

1) 當(dāng)x=0或y=0，或者x=y且a=b時(shí)，是一個(gè)基本形式的波形編碼，輸出的碼流單一、簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)源頻率fg等于最高頻率分量頻率Fh，一個(gè)波形循環(huán)周期T=1/Fl。

以波形長(zhǎng)度L=3(L為大于1的奇數(shù)自然數(shù))，1×2n與1.5×2n組合為例，分別按照1∶2配比(假設(shè)最低頻率分量頻率Fl=6 Hz，則最高頻率分量頻率Fh=12 Hz)和2∶1的配比(假設(shè)最低頻率分量頻率Fl=8 Hz，則最高頻率分量頻率Fh=16 Hz)可以得到兩組組合形式的偽隨機(jī)信號(hào)波形，其頻率分量分別為{6 Hz, 8 Hz, 12 Hz }和{8 Hz, 12 Hz, 16 Hz}。波形形成過(guò)程分別如圖2、圖3所示。可以看到：按照1∶2配比時(shí)，驅(qū)動(dòng)源頻率fg=48 Hz，為最高頻率分量的4倍，一個(gè)波形循環(huán)周期T=3/6=0.5 s，為最低頻率分量周期的3倍；按照2∶1配比時(shí)，驅(qū)動(dòng)源頻率fg=96 Hz，為最高頻率分量的6倍，一個(gè)波形循環(huán)周期T=2/8=0.25 s，為最低頻率分量周期的2倍。

運(yùn)用編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述方法的流程見(jiàn)圖4。

圖2 按照1∶2配比時(shí)組合波形形成過(guò)程

圖3 按照2∶1配比時(shí)組合波形形成過(guò)程

圖4 程序流程

2 編碼在硬件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加載

應(yīng)用偽隨機(jī)信號(hào)研制的地球物理勘探設(shè)備普遍存在信號(hào)波形固化[10]，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，對(duì)于大而長(zhǎng)或者較復(fù)雜的組合波形序列生成困難，輸出序列“死區(qū)時(shí)間”不能配置等問(wèn)題。

對(duì)于基于x×an與y×bn序列組合形式的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼，本文提出一種可編程的動(dòng)態(tài)配置方法。應(yīng)用該方法可以快速根據(jù)需求配置信號(hào)波形，并且對(duì)于大而長(zhǎng)和較復(fù)雜的組合波形序列均能以較少的存儲(chǔ)空間動(dòng)態(tài)進(jìn)行配置。方法結(jié)合了現(xiàn)代微控制器(MCU)較大的存儲(chǔ)空間(內(nèi)部或外部)，可編程邏輯器件(CPLD)較強(qiáng)的邏輯設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，以及合理的數(shù)據(jù)裝載及邏輯控制策略，形成了一種通用的偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生方案，特別是對(duì)于較復(fù)雜的組合偽隨機(jī)信號(hào)波形序列有更大的優(yōu)勢(shì)。

2.1 動(dòng)態(tài)加載過(guò)程

方法主要是以微控制器(MCU)、可編程邏輯器件(CPLD)以及其他電子元器件為硬件依托，以特定的控制、處理策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。各邏輯框圖及硬件實(shí)物見(jiàn)圖5～圖8。

主要流程是：通過(guò)安裝于PC端的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)波形組合形式，波形參數(shù)，“死區(qū)時(shí)間”等，并產(chǎn)生一個(gè)整周期的以字節(jié)為單位的偽隨機(jī)信號(hào)序列字節(jié)流，對(duì)于應(yīng)用該方案的，具有常用應(yīng)用目標(biāo)的設(shè)備，會(huì)在設(shè)備的MCU內(nèi)部或外部的存儲(chǔ)空間預(yù)先存儲(chǔ)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的多種偽隨機(jī)信號(hào)序列字節(jié)流。將該字節(jié)流通過(guò)有線或無(wú)線的方式下載到設(shè)備的MCU內(nèi)部或外部的存儲(chǔ)空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。

啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送時(shí)，MCU先通過(guò)數(shù)據(jù)交互總線將死區(qū)配置信息、驅(qū)動(dòng)配置信息下發(fā)到CPLD相應(yīng)的配置寄存器。同時(shí)，CPLD按照一定時(shí)間間隔循環(huán)產(chǎn)生信號(hào)數(shù)據(jù)加載請(qǐng)求，MCU在接收到該請(qǐng)求后，立即啟動(dòng)中斷響應(yīng)程序，裝載存儲(chǔ)在MCU內(nèi)部或外部存儲(chǔ)空間的序列字節(jié)碼流，并通過(guò)數(shù)據(jù)交互總線下發(fā)到CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。CPLD收到字節(jié)流后，先將并行的字節(jié)流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位數(shù)據(jù)，在驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)下，將位數(shù)據(jù)按位輸出。在輸出的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)死區(qū)配置寄存器產(chǎn)生相應(yīng)的死區(qū)時(shí)序，并在同步源的配合下，同步輸出最終的偽隨機(jī)信號(hào)。

圖5 CPLD內(nèi)部邏輯框圖

圖6 硬件實(shí)物圖

圖7 MCU內(nèi)部框圖

圖8 總體硬件框圖

輸出的偽隨機(jī)信號(hào)屬于弱電信號(hào)，為了避免大功率強(qiáng)電逆變系統(tǒng)對(duì)弱電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，輸出的偽隨機(jī)信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)輸出隔離電路進(jìn)行隔離。

2.2 動(dòng)態(tài)加載實(shí)例

以波形長(zhǎng)度L=7(L為大于1的奇數(shù)自然數(shù))，a=2的an偽隨機(jī)信號(hào)為例。該偽隨機(jī)信號(hào)包含了7個(gè)主要頻率成分，假設(shè)最低的頻率分量為1 Hz，那么這7個(gè)頻率成分為1 Hz、 2 Hz、 4 Hz、 8 Hz、 16 Hz、 32 Hz、 64 Hz，信號(hào)周期T=1 s。假設(shè)數(shù)據(jù)交互總線寬度為N=8，所產(chǎn)生的偽隨機(jī)信號(hào)序列碼流為27，128位，換算成字節(jié)流為128位/N，16字節(jié)。由此來(lái)看，將128位的碼流存儲(chǔ)到邏輯資源極其有限的CPLD中，比起將16字節(jié)碼流存儲(chǔ)到邏輯資源相對(duì)豐富的MCU內(nèi)部或外部的存儲(chǔ)空間中更有優(yōu)勢(shì)，更能適應(yīng)于大而長(zhǎng)和較復(fù)雜的組合波形序列。在這個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)序列中，64 Hz為最高頻率成分，那么驅(qū)動(dòng)源的頻率即為64 Hz，最小的位碼流時(shí)間寬度t=1/64=0.015 625 s，可以計(jì)算出CPLD循環(huán)產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)加載請(qǐng)求時(shí)間間隔t1=0.015 625×N=0.125 s，可以N倍縮減信號(hào)序列位碼裝載的速度，從而減少CPLD邏輯資源的消耗和邏輯的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

根據(jù)上述方法理論，本文所描述的技術(shù)不僅能夠方便靈活地產(chǎn)生以an為基礎(chǔ)的各種長(zhǎng)度序列的偽隨機(jī)信號(hào)，還能靈活產(chǎn)生諸如x×an+y×bn等為參考的通用偽隨機(jī)編碼序列的偽隨機(jī)信號(hào)，在產(chǎn)生的同時(shí)還可以精準(zhǔn)配置“死區(qū)時(shí)間”，并減少信號(hào)序列碼流存儲(chǔ)空間。

3 編碼的應(yīng)用

上面闡述了基于x×an與y×bn序列的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法，及其在硬件系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)加載的實(shí)現(xiàn)方法。該方法為基于偽隨機(jī)信號(hào)研制地球物理勘探設(shè)備的偽隨機(jī)編碼提供了一種快速、高效、簡(jiǎn)單、靈活的解決方案。目前，該方法已經(jīng)在多款可控源電法勘探信號(hào)發(fā)射設(shè)備的研制中獲得應(yīng)用，并通過(guò)了工程實(shí)踐的可靠性檢驗(yàn)。湖南繼善高科技有限公司具有獨(dú)創(chuàng)性的DGN-2多功能信號(hào)控制器就已經(jīng)應(yīng)用了本文所述的基于x×an與y×bn序列組合形式的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼方法。

DGN-2多功能信號(hào)控制器(如圖9)是廣域電磁系統(tǒng)、油氣壓裂智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)射子系統(tǒng)的一部分。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，DGN-2多功能信號(hào)控制器默認(rèn)配置偽隨機(jī)信號(hào)7頻波12個(gè)頻組、13頻波2個(gè)頻組、19頻波1個(gè)頻組，雙頻波，雙極性波等多種波形。其中19頻波是基于1×2n與1.5×2n以10∶9的比例生成的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼序列產(chǎn)生的。

圖9 DGN-2多功能信號(hào)控制器

3.1 油氣壓裂智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

油氣壓裂智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于廣域電磁法[4,11]的基本理論研制的一套用于油氣壓裂監(jiān)測(cè)的智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括采集、處理、顯示三大系統(tǒng)和一個(gè)存儲(chǔ)平臺(tái)(如圖10所示)。

圖10 系統(tǒng)框圖

3.2 19頻波編碼的生成

油氣壓裂系統(tǒng)中采集系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射即運(yùn)用了基于1×2n與1.5×2n以10∶9的比例生成的19頻波偽隨機(jī)信號(hào)波形。其基本波形如圖11所示。

將上述波形經(jīng)傅里葉(FFT)變換[12]即可得到頻譜圖如圖12所示。

圖11 基于1×2n+1.5×2n的19頻波偽隨機(jī)信號(hào)波形

圖12 基于1×2n+1.5×2n的19頻波偽隨機(jī)信號(hào)頻譜

從頻譜圖可以看到，基于1×2n+1.5×2n的19頻波的歸一化振幅分布不均勻，譜線高度呈“鋸齒狀”，且部分低頻分量的3次諧波和主頻重疊，3次諧波分量對(duì)主頻的振幅大小“有一定的貢獻(xiàn)”，提高了信號(hào)的發(fā)射效率。

3.3 頁(yè)巖氣壓裂監(jiān)測(cè)實(shí)例

由四川中成煤田物探工程院有限公司承擔(dān)的某頁(yè)巖氣壓裂檢測(cè)項(xiàng)目即運(yùn)用了基于這種偽隨機(jī)編碼方法的油氣壓裂智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并取得了可喜的成果。

圖13是壓裂監(jiān)測(cè)的過(guò)程效果。項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行4口水平井的壓裂檢測(cè),井深約2.8 km，長(zhǎng)約1.6 km，共104段，背景平均電阻率約80 Ω·m，采用的19頻波組合偽隨機(jī)編碼主頻分量分為16、12、8、6、4、3、2、1.5、1、0.75、0.5、0.375、0.25、0.187 5、0.125、0.093 775、0.031 25 Hz，收發(fā)距約11 km，系統(tǒng)總發(fā)射功率950 V/90 A。

壓裂施工采用同步分段方式，4口井同時(shí)分段壓裂，公用一個(gè)垂直井眼。圖13彩色部分表示壓裂前后監(jiān)測(cè)到的電場(chǎng)(電阻率)的相對(duì)異常變化。顏色越深，異常變化越大，表示壓裂液濃度越大；同時(shí)，彩色部分的波及范圍也表明了壓裂液的波及范圍。通過(guò)此種方式可以直接反應(yīng)壓裂施工的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一種工程實(shí)用方法，本文從各個(gè)方面論述了基于x×an與y×bn序列的偽隨機(jī)信號(hào)混合編碼的實(shí)現(xiàn)方法、硬件動(dòng)態(tài)加載過(guò)程，及其在油氣壓裂智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，該方法為基于偽隨機(jī)信號(hào)研制地球物理勘探設(shè)備的偽隨機(jī)編碼提供了一種快速、高效、簡(jiǎn)單、靈活的解決方案，具有可靠的工程實(shí)用性。

圖13 過(guò)程效果圖