自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)在工程測井中的應(yīng)用

王君宇，梁 冰，任忠明，王萊雪，楊雨蒙

(大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

在油田開發(fā)中，準確掌握套管的損壞狀況，研究其損壞機理及如何采取保護和修補措施具有十分重要的意義[1]。工程測井要求對于井身狀況的檢測向著高時效性的精細成像方向發(fā)展，尤其對井身狀況全方位成像、提高測井結(jié)果分辨率上有了更高的要求。為滿足這一要求，工程測井儀器多采用陣列式、模塊化、多種原理組合的傳感器系統(tǒng)，因此，采集的數(shù)據(jù)量越來越大。其中，高速數(shù)據(jù)采集電路每秒鐘能產(chǎn)生500 kB的數(shù)據(jù)量，原始數(shù)據(jù)全部上傳需要測井電纜傳輸速率至少要達到4 Mbit/s。現(xiàn)有工程測井儀器井下電路沒有數(shù)據(jù)壓縮功能，受測井電纜性能的限制，傳輸速率低于1 Mbit/s，無法實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)全部實時上傳，導致測井結(jié)果失真。因此，在井下數(shù)據(jù)不丟失、不失真的前提下，需要對井下測井數(shù)據(jù)進行實時壓縮，力求用最少的數(shù)據(jù)傳遞最大的信息量[2]，以適應(yīng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。若想得到較好的綜合壓縮性能,必須考慮各種因素并對現(xiàn)有算法進行綜合比較,最終確定合適的壓縮算法[3]。出于失真度、壓縮比、壓縮速度等因素的綜合考慮，自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)數(shù)據(jù)壓縮算法是一種比較適用于井下工程儀器的數(shù)據(jù)壓縮算法。

1 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)原理

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(Adaptive Differential Pulse Code Modulation，ADPCM)是一種針對16 bit聲音波形數(shù)據(jù)的一種有損壓縮算法,它將聲音流中每次采樣的16 bit數(shù)據(jù)以4 bit存儲,所以壓縮比為1∶4。而壓縮/解壓縮算法非常簡單,所以 ADPCM 壓縮算法是一種獲得低空間消耗、高質(zhì)量聲波的好途徑[4]。

ADPCM是典型的預(yù)測編碼, 核心思想是利用自適應(yīng)改變量化階的大小，使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預(yù)測值，使實際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小[5]。根據(jù)原始離散信號之間存在一定關(guān)聯(lián)性的特點，利用前面的一個或多個信號對下一個信號進行預(yù)測，然后對實際值和預(yù)測值的差值進行編碼。如果預(yù)測比較準確，那么誤差信號就會很小。而一小部分數(shù)據(jù)的損失不會對聲波、圖像和視頻信號所要表達的信息產(chǎn)生影響，因此在滿足精度要求的條件下，就可以用比較少的數(shù)碼進行編碼，達到壓縮數(shù)據(jù)的目的。

2 測井數(shù)據(jù)壓縮過程

ADPCM數(shù)據(jù)壓縮過程是實時的，并且具有一定的自適應(yīng)性和自動適配能力，因而適合于工程測井過程中的傳感器連續(xù)數(shù)據(jù)采集。在測井過程中，由于井下環(huán)境對傳感器采集過程產(chǎn)生干擾，采集數(shù)據(jù)中的噪聲和錯誤信息均夾雜在有用信號中，濾波后仍會有錯誤信息被采集到。在測井過程中，需要用4位編碼表示采集數(shù)據(jù)兩點之間的差值，以便于井下電路做進一步數(shù)據(jù)處理。若不引入自適應(yīng)因子，4位編碼只能表示0～15的差值變化范圍，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，4位編碼無法表示差值。因此，采用ADPCM自適應(yīng)因子的方法，當兩點之間差值變大時，用差值去和相應(yīng)的因子作除法，計算出相應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)Delta和步長Index，使差值能用4位編碼表示。

測井過程中ADPCM編碼過程，如圖1所示。

圖1 ADPCM編碼框圖

編碼步驟：

1)將N個傳感器的采集數(shù)據(jù)通過采集電路放大、濾波后，形成pcm輸入值，與預(yù)測器的預(yù)測pcm數(shù)據(jù)進行計算，求出差值diff。

2)根據(jù)差值diff和設(shè)定好的步長索引Index，通過差分器計算出Delta，即為編碼后的數(shù)據(jù)。

3)根據(jù)編碼后的數(shù)據(jù)和步長索引，利用逆量化器求出vpdiff，送給預(yù)測器。

4)通過預(yù)測器(歸一化)，求出當前輸入pcm input的預(yù)測pcm值。

5)量化階調(diào)整，通過編碼數(shù)據(jù)Delta和步長索引Index，更新Index值，完成一個循環(huán)。

6)完成編碼后，原始測井數(shù)據(jù)則減少到四分之一，通過井下數(shù)據(jù)傳輸電路傳輸?shù)降孛娌杉到y(tǒng)。

測井過程中ADPCM解碼過程，如圖2所示。

圖2 ADPCM解碼框圖

解碼步驟：

1)通過遙測電路將存儲的編碼數(shù)據(jù)和索引Index上傳到地面系統(tǒng)。

2)利用存儲的編碼數(shù)據(jù)和索引Index，通過逆量化器計算出差值diff。

3)將編碼數(shù)據(jù)作為輸入值，利用量化階調(diào)整計算新的索引Index和差值diff，通過預(yù)測器計算出解碼數(shù)據(jù)Delta。

3 應(yīng)用效果

工程測井中的聲波測井數(shù)據(jù)是一種非平穩(wěn)信號，如縱波、橫波以及斯通利波，具有幅度變化范圍大，無直流分量，分頻特性強的特點[6]。以井下陣列成像探測傳感器為例，陣列傳感器每秒產(chǎn)生近550 kB的數(shù)據(jù)量，在測井過程中，需要以300 m/h的速度連續(xù)測試3 h以上。如果采用井下數(shù)據(jù)完全上傳，其傳輸速率至少達到4 Mbit/s才能保證測井結(jié)果的準確性，但在現(xiàn)有測井電纜上無法實現(xiàn)該傳輸速率，因此需要將數(shù)據(jù)進行壓縮。將ADPCM壓縮算法程序嵌入井下數(shù)字芯片，制作井下數(shù)據(jù)壓縮電路板，把采集的部分波列數(shù)據(jù)通過算法程序計算出相應(yīng)的測量參數(shù)，實現(xiàn)了對波列數(shù)據(jù)的高效壓縮。

圖3是原始采集聲波波形與重構(gòu)聲波波形的對比圖。數(shù)據(jù)壓縮指標要求，重構(gòu)波形數(shù)據(jù)的幅度值與原始波形數(shù)據(jù)的幅度值之差不超過原始波形數(shù)據(jù)幅度值的1‰，頻率相差不超過原始波形數(shù)據(jù)的1%。從圖中可以看出，重構(gòu)波形與原始波形幾乎重合，滿足數(shù)據(jù)壓縮指標要求。將每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量降為125 kB，電纜傳輸速率降為1 Mbit/s。圖4為實際測井過程中，解壓縮后波列數(shù)據(jù)波形圖。

圖3 波列數(shù)據(jù)壓縮原始波形與重構(gòu)波形對比圖

圖4 實際測井解壓縮后波列數(shù)據(jù)波形圖

4 結(jié) 論

1)ADPCM壓縮算法簡單、代碼量小、執(zhí)行效率高，相比于原始數(shù)據(jù)傳輸能減少30%的CPU運行時間占用，適用于聲波、圖像和視頻信號的傳感器數(shù)據(jù)壓縮，且不受測井過程中儀器的時間采樣或深度采樣的影響。

2)利用ADPCM壓縮算法，對井下陣列成像探測傳感器數(shù)據(jù)進行壓縮傳輸，最大壓縮比達到1∶4，波形重構(gòu)幅度值誤差小于1‰，能夠滿足大數(shù)據(jù)量采集測井儀器在1 Mbit/s速率的電纜上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

3)ADPCM壓縮算法能夠有效降低對測井電纜遙測系統(tǒng)傳輸速率的要求,但在實際應(yīng)用過程中，該算法僅適用于對頻率為1 MHz以下的數(shù)據(jù)進行壓縮，超過該頻率后，則無法滿足數(shù)據(jù)壓縮指標要求。