基于開關(guān)切換混頻的隨鉆電阻率信號(hào)處理系統(tǒng)

摘? ?要： 針對隨鉆電阻率測井儀器中電路系統(tǒng)工作溫度高、電路板安裝空間狹小、信號(hào)靈敏度低等現(xiàn)狀，基于開關(guān)切換混頻原理，設(shè)計(jì)一種隨鉆電阻率信號(hào)處理系統(tǒng)。依據(jù)原有隨鉆電阻率測井儀器電路系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)：通過FPGA對16 MHz信號(hào)進(jìn)行8分頻實(shí)現(xiàn)，生成2 MHz信號(hào);設(shè)計(jì)開關(guān)切換混頻電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)由2 MHz向2 kHz的轉(zhuǎn)換。FPGA的引進(jìn)，降低了對溫度的敏感性，壓縮了電路板面積，使得隨鉆電阻率測井儀器可靠性得到提高，能夠更加適應(yīng)井下狹小空間和高溫高壓的惡劣環(huán)境。測試驗(yàn)證表明，幅度比和相位差的測量相對誤差都在1%以內(nèi)，完全滿足隨鉆電阻率測量精度要求。

關(guān)鍵詞： 隨鉆電阻率;測井儀器;開關(guān)切換混頻;FPGA;幅度比;相位差

中圖分類號(hào)：TH816? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 01-023-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.005

引言

隨鉆測井技術(shù)是近年來迅速崛起的先進(jìn)測井技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的電纜測井儀器不同，隨鉆測井儀器的測量結(jié)果克服了鉆井液對地層滲透的影響，更加有利于精確地獲得地層的工程和地質(zhì)參數(shù)，更為真實(shí)客觀地反映地層的特性，從而實(shí)現(xiàn)對地層的快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[2]。隨鉆電阻率測井儀器是隨鉆測井儀器家族中應(yīng)用最為廣泛的儀器，也一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)[3-5]。

隨鉆電阻率測井儀器中關(guān)于信號(hào)采集以及幅度比與相位差檢測計(jì)算的研究已經(jīng)起步。劉升虎等[6]、潘光瑋等[7]的研究聚焦于通過直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射。

本文針對隨鉆電阻率測井儀器中電路系統(tǒng)工作溫度高、電路板安裝空間狹小、信號(hào)靈敏度低等現(xiàn)狀，意圖從發(fā)射和接收一體化的角度，基于數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）和開關(guān)切換混頻等技術(shù)，設(shè)計(jì)一種隨鉆電阻率信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的幅度與相位檢測，并通過測試加以驗(yàn)證。

1? 隨鉆電阻率測井儀器電路系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

隨鉆電阻率測井儀器通過測量電磁波在地層中傳播前后幅度與相位的變化量（即幅度比與相位差）來計(jì)算地層電阻率。該儀器電路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由1個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線組成，2個(gè)接收天線分別接收發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波信號(hào)。通過電路采集處理模塊對2個(gè)接收天線分別接收的信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的測量，可以反演出電磁波信號(hào)經(jīng)過的地層的電阻率[8]。國內(nèi)外已經(jīng)在儀器工作頻率選擇方面經(jīng)過充分論證和試驗(yàn)，表明100 kHz～10 MHz這個(gè)頻率段的電磁波信號(hào)作為工作頻率對地層電阻率的響應(yīng)最為敏感，一般選擇2 MHz或者400 kHz，后續(xù)隨鉆電阻率測井儀器電路系統(tǒng)的研制以2 MHz作為工作頻率。

考慮到隨鉆電阻率測井儀器工作環(huán)境比較惡劣，特別是易受到高溫（150℃以上）和振動(dòng)等影響，為了保證電路系統(tǒng)工作的可靠性，在實(shí)際電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中使用的微處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵芯片的工作頻率都相對較低，不能滿足對2 MHz信號(hào)進(jìn)行直接采集和處理的需求。因此在信號(hào)處理設(shè)計(jì)當(dāng)中需要對2 MHz信號(hào)進(jìn)行乘法混頻和濾波，將采集和處理的信號(hào)頻率降到kHz級(jí)別。實(shí)際電路中一般將信號(hào)頻率降到2 kHz，實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵往往是使用直接數(shù)字頻率合成器和乘法混頻器等[9-11]，但該類芯片涉及復(fù)雜的模擬電路或者數(shù)?；旌想娐罚涔妮^大、溫度適應(yīng)性較差。對于信號(hào)采集和處理來說，混頻輸出應(yīng)只與接收信號(hào)的幅度比和相位差有關(guān)，而與本振信號(hào)的參數(shù)無關(guān)。因此乘法混頻器并不是最佳選擇，而通過數(shù)字開關(guān)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)混頻的技術(shù)，即開關(guān)切換混頻技術(shù)，可以有效克服上述不足。

2? 開關(guān)切換混頻原理

圖2所示為開關(guān)切換混頻電路的基本結(jié)構(gòu)?；祛l中的輸入模擬信號(hào)。該信號(hào)的幅度A和相位ω0被分成兩路：一路與原信號(hào)一致;另外一路對原信號(hào)進(jìn)行反向，即-?1（t）。為了保持信號(hào)相位的一致性，在原信號(hào)鏈路中插入了緩沖級(jí)?；祛l中的開關(guān)切換信號(hào)使用數(shù)字方波信號(hào)?2實(shí)現(xiàn)，該信號(hào)控制開關(guān)的導(dǎo)通和截止。

數(shù)字方波信號(hào)?2的表達(dá)式為

（1）

輸出?3（t）=?1（t）×?2（t），其中?2（t）由傅里葉變換展開，表達(dá)式為

（2）

從式（2）可以看出，數(shù)字方波信號(hào)?2（t）由基本頻率的1、3、5、…倍的各次諧波之和構(gòu)成。因此

（3）

如果?1（t）和?2（t）的頻率ω1和ω2比較接近，那么ω1-ω2將是一個(gè)相對于ω1和ω2比較低的頻率，此時(shí)式（3）中部分的頻率將遠(yuǎn)低于其它部分，進(jìn)行合適的低通濾波后，可只此部分。例如在本設(shè)計(jì)中ω1取2.002 MHz，ω2取2 MHz，則經(jīng)過圖2所示電路進(jìn)行混頻，生成的信號(hào)經(jīng)過略高于2 kHz的低通濾波以后，只剩下部分，其頻率為ω1-ω2=2 kHz。該部分還包含了?1（t）的幅度A和相位ω0，符合通過電磁波在地層中傳播后幅度與相位的變化量來計(jì)算該地層電阻率的要求。通過上述方法對2 kHz的信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，信號(hào)處理硬件設(shè)計(jì)難度將降低很多。

3? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1? 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)第1～2章的分析，對隨鉆電阻率信號(hào)處理電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體原理框圖如圖3所示，該框圖是在圖1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的。相比于圖1中傳統(tǒng)的隨鉆電阻率測井儀器電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的電路采用了數(shù)字并行能力更強(qiáng)的FPGA作為處理器。由于目前FPGA的數(shù)字資源非常豐富，有各種可直接調(diào)用的IP模塊，因此各種數(shù)字單元都可以在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。例如，生成2 MHz發(fā)射信號(hào)，可在FPGA內(nèi)部使用分頻模塊對16 MHz晶振信號(hào)進(jìn)行8分頻實(shí)現(xiàn)。由于開關(guān)切換混頻電路代替了傳統(tǒng)的模擬混頻電路，因此混頻信號(hào)生成模塊變得非常簡單，完全由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，將需要進(jìn)行開關(guān)切換、同步輸入信號(hào)?2（t）（2.002 MHz）的生成電路（即NCO電路）集成到FPGA內(nèi)部，不需要額外的芯片。

3.2? 開關(guān)切換混頻電路設(shè)計(jì)

隨鉆電阻率測井儀器電路需要對兩路接收信號(hào)進(jìn)行同步混頻處理，然后計(jì)算得出這兩路信號(hào)的幅度比和相位差。為了提高集成度、減少不同芯片固有誤差，采用集成了兩路開關(guān)切換選擇的AD8182芯片，實(shí)現(xiàn)兩路天線接收信號(hào)的關(guān)鍵開關(guān)切換。AD8182芯片是一款高速數(shù)字控制2選1的模擬多路選擇器電路，其在選擇信號(hào)輸入端SEL端輸入高電平或者低電平，選擇模擬輸入IN0或者IN1輸出到OUT端。該功能與開關(guān)切換混頻的功能完全一致，因此使用這種芯片將更加優(yōu)化電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。每路天線接收信號(hào)分成兩路，分別經(jīng)過放大同向緩沖和方向緩沖，分別接入AD8182的兩路，輸入IN0A、IN1A和IN0B、IN1B。

4? 測試驗(yàn)證

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源生成兩路具有一定的幅度比和相位差的正弦信號(hào)，模擬隨鉆時(shí)電磁波信號(hào)經(jīng)過地層衰減后被兩路接收天線接收到的信號(hào)。測試過程參考實(shí)際地層對兩路信號(hào)幅度比和相位差的衰減情況，輸入7個(gè)典型的幅度比和相位差，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以測算出，幅度比和相位差的測量相對誤差都在1%以內(nèi)，該精度完全滿足隨鉆電阻率測量精度要求。

5? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了開關(guān)切換混頻電路結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到隨鉆電阻率測井儀器信號(hào)處理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了從高頻信號(hào)向低頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使用簡單可靠的數(shù)字電路替換了復(fù)雜的、功耗較大的模擬電路。系統(tǒng)利用FPGA的內(nèi)部資源，將大量數(shù)字電路內(nèi)嵌在FPGA內(nèi)部，進(jìn)一步簡化了電路結(jié)構(gòu)，壓縮了電路板面積，降低了對溫度的敏感性，使得隨鉆電阻率儀器可靠性得到提高，能夠更加適應(yīng)井下狹小空間和高溫高壓的惡劣環(huán)境。

同時(shí)，經(jīng)過測試驗(yàn)證，基于開關(guān)切換混頻的隨鉆電阻率信號(hào)處理系統(tǒng)的相對誤差可保持在1%以內(nèi)，完全達(dá)到了隨鉆電阻率測井儀器的測量精度要求。

基金項(xiàng)目

國家科技重大專項(xiàng)課題（低滲透儲(chǔ)層高精度隨鉆成像技術(shù)研究2016ZX05021-002）

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作者簡介：

倪衛(wèi)寧（1979—），通信作者，男，安徽黃山人，副研究員。研究方向：隨鉆測井儀器電路系統(tǒng)。

E-mail： nwnleeyy@163.com

（收稿日期：2020-01-13）

Signal Processing System of Resistivity While Drilling Based on Switching Mixing

NI Wei-ning

（Research Institute of Petroleum Engineering Technology， SINOPEC， Beijing 100101， China）

Abstract： In view of the current situation such as high working temperature， narrow circuit board installation space and low signal sensitivity in the circuit system of the logging while drilling （LWD） instrument， a kind of signal processing system of resistivity while drilling is designed based on the principle of switching mixing. According to the basic structure and characteristics of the circuit system in the original resistivity LWD instrument， the optimization and improvement are carried out： the 16 MHz signal is divided into 8 frequencies by FPGA to generate a 2 MHz signal; the switching mixing circuit is designed to realize the signal conversion from 2 MHz to 2 kHz. With the introduction of FPGA， the sensitivity to the temperature is reduced， the area of the circuit board is compressed， the reliability of the resistivity LWD instrument is improved， which can be more suitable for the tough environment of narrow logging space， high temperature and high pressure. The test validations show that the relative errors of amplitude ratio and phase difference are within 1%， which fully meet the measurement accuracy requirements of the resistivity while drilling.

Key words： Resistivity While Drilling; Logging Instrument; Switching Mixing; FPGA; Phase Difference; Amplitude Ratio