小直徑存儲式多極子陣列聲波信號采集處理電路設計

竇忠才

（中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南省新鄉(xiāng)市 453000）

起初在水平井和大斜度井中采用鉆具直推式存儲式測井儀器進行測井作業(yè)，該方式測井施工時效性高，但測井風險較大，無法進行復雜井測井。為了降低測井作業(yè)的風險，提供測井成功率，各大測井儀器公司大力發(fā)展過鉆桿泵出式測井工藝等更為安全可靠的測井工藝和相關(guān)測井儀器，針對該測井工藝要求，我們設計了外徑為60mm的存儲式多極子陣列聲波測井儀器，采用高頻單極進行聲波全波列測井，用于測量地層縱波、橫波、斯通利波時差；采用低頻單極獲取高質(zhì)量的斯通利波時差；采用正交偶極子使得儀器能夠測量常規(guī)聲波儀器無法測量的軟地層的橫波時差，并且獲取地層各向異性信息。本文主要介紹了儀器的信號采集處理電路及相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)。

1 儀器組成和測量原理

60多極子陣列聲波由接收電路、接收聲系、隔聲短節(jié)、發(fā)射聲系、發(fā)射電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：多極子陣列聲波系統(tǒng)框圖

發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射換能器所需的高壓激勵信號；發(fā)射聲系在高壓激勵信號的驅(qū)動下向地層輻射單極和偶極聲波；隔聲短節(jié)衰減和延遲從儀器體直接從聲源到接收傳感器的直達波。接收聲系由32個接收器構(gòu)成的接收換能器陣把從地層接收的聲信號轉(zhuǎn)化為接收電路能夠處理的電信號；接收電路按一定的時序關(guān)系控制發(fā)射換能器向地層發(fā)射聲波，并行采集接收器的聲波信號，然后對信號進行處理和存儲等功能。

高頻單極源距為8.25ft，偶極源距為10.25ft，低頻單極源距為9.25ft，接收換能器間距為0.5ft。

儀器工作過程為：接收電路接收到外部或本地的時鐘命令后，通過CAN總線按次序控制發(fā)射電路驅(qū)動發(fā)射聲系中的發(fā)射換能器，并按一定的時序?qū)π盘栠M行并行采集、濾波、增益調(diào)整和存儲等處理，至此完成一個深度點的數(shù)據(jù)獲取。發(fā)射次序依次為偶極X發(fā)射和偶極Y發(fā)射，高頻單極發(fā)射，低頻單極發(fā)射，即完成一個深度點的數(shù)據(jù)獲取只需要進行4次發(fā)射。

2 采集處理系統(tǒng)設計

2.1 硬件電路系統(tǒng)設計

由于該儀器直徑較小導致發(fā)射換能器輸出聲功率小、接收換能器接收的有用信號很弱，而電路本身的熱噪聲和由于儀器與井壁碰撞產(chǎn)生的干擾相對較大，從而導致接收換能器輸出的電信號信噪比較差，所以需要設計高性能的采集和處理電路，以提高電路放大能力及數(shù)據(jù)的信噪比。

32道聲波傳感器接收信號經(jīng)過前置放大電路進行阻抗匹配和預放大后，進入自動增益主放大電路進行自動放大或衰減，同時把32道信號合成為16道信號（交叉偶極信號）或8道信號（單極信號），然后進入抗混疊濾波對信號進行低通濾波處理，然后由DSP控制3個ADC采集芯片進行數(shù)據(jù)采集和處理，然后存儲在FLASH存儲模塊中，采集處理硬件電路框圖如圖2所示 。

圖2：采集處理硬件電路框圖

2.1.1 DSP信號處理電路

文中以處理器TMS320F28335 DSP為核心，通過XINTF接口擴展高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7656設計采集電路，并行采集16路聲波信號，進行增益調(diào)整控制、數(shù)據(jù)濾波和壓縮處理。

TMS320F28335是TI公司推出的一款32位浮點型高性能數(shù)字信號處理器。主頻高達150MHz，能夠滿足本文采集和處理對實時性的要求；具有較大的內(nèi)部存儲空間，包括256K×16 FLASH，34K×16 SARAM，可以滿足本文數(shù)據(jù)采集和處理所需緩存的需求；具有豐富的外設，滿足了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信對電路接口的需求。

該處理器內(nèi)核采用1.8V供電、外設為3.3V供電，這兩種電壓通過一個低壓差電源芯片轉(zhuǎn)換5V電源來實現(xiàn)。利用25MHz有源時鐘芯片為DSP提供時鐘源，DSP通過PLL模塊把該時鐘倍頻到100MHz，作為處理器的內(nèi)核時鐘。JTAG電路提供程序?qū)崟r仿真、在線調(diào)試和目標代碼燒寫功能。

采用專用復位電路芯片ADM706設計復位電路，本文設計的復位電路具有上電硬件復位和看門狗軟件復位的功能?？撮T狗軟件復位是指通過程序檢查DSP的工作狀態(tài)來判斷DSP是否正常復位工作，如果未正常工作，再通過程序設置一個輸出信號到復位芯片，從而再次復位DSP。通過這兩個功能大大提高了DSP上電工作可靠性，提供了整個儀器系統(tǒng)的工作可靠性。

DSP信號處理電路圖如圖3所示。

圖3：DSP信號處理電路圖

2.1.2 ADC采集電路

接收傳感器接收的高頻單極信號的頻帶為1kHz ～20kHz，交叉偶極信號和低頻單極頻帶為1kHz～5kHz，根據(jù)采樣定律可知，采樣頻率至少是40kHz。為了降低對抗混疊低通濾波器的性能要求，并且保證聲波信號波形數(shù)據(jù)處理的精度，ADC 最高采樣率應為聲波信號最高頻率的5～10 倍。所以，ADC采集電路 的采樣能力應不低于200ksps。由于數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)的采集精度和動態(tài)范圍要求很高，接收到信號幅度差別較大，動態(tài)范圍超過80dB，因此ADC 的分辨率至少為14bit 才能滿足性能要求。通過比較選擇，本文采用ADI 公司的6通道同步采樣16bit 逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器AD7656。

2.2 算法和程序設計

2.2.1 數(shù)據(jù)濾波處理

根據(jù)濾波器單位脈沖響應的長度是否有限，數(shù)字濾波器可分為有限脈沖響應（FIR）濾波器和無限脈沖響應（IIR）濾波器。

FIR濾波器與IIR濾波器相比具有很多優(yōu)勢，它可以設計成嚴格線性相位的，可以避免被處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生相位失真，并且其結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，但不容易得到較好的通帶和阻帶特性。本文的數(shù)據(jù)處理要求在信號處理中不能產(chǎn)生相位失真，所以選用無限脈沖響應（IIR）濾波器進行數(shù)字濾波器實際。FIR數(shù)字濾波器的差分方程如下：

式中，x(n)為濾波器的輸入信號，y(n)為濾波器的輸出信號，h(n)為濾波器的單位脈沖響應，N為濾波器的階數(shù)。

濾波器的設計過程就是要求設計的濾波器的頻率特性逼近所要求的濾波器的頻率特性。FIR濾波器的設計方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和計算機輔助的設計方法。本文借助MATLAB工具箱FDATool進行濾波器設計，在MATLAB命令窗口中輸入FDATool命令來調(diào)用，其設計窗口為圖4所示。其設計方法包括等波紋法、窗函數(shù)法、最小二乘法等，根據(jù)本文所處理數(shù)據(jù)對通頻帶和抑制帶的波紋的要求是越小越好，所以，本設計采用等波紋法進行濾波器設計。

圖4：FIR數(shù)字濾波器設計圖

為了抑制低頻干擾和其他高頻干擾，本文采用帶通濾波器?？紤]到濾波性能和計算量，所設計的偶極信號數(shù)字濾波器的階數(shù)為128階，采樣頻率為50kHz，下阻帶和通帶頻率分別為100Hz和600Hz，上通帶和阻帶頻率分別為6kHz和7kHz。輸入所有的設計參數(shù)后，點擊Design Filter就得到了所設計的濾波器，然后進行DSP編程實現(xiàn)濾波器算法。

2.2.2 數(shù)據(jù)壓縮算法設計

本儀器在一個工作周期中，需要采集將近20k字的數(shù)據(jù)，巨大的數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲硬件提出了很高的要求，為了減小數(shù)據(jù)通信和存儲電路壓力，本文采用自適應差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM數(shù)據(jù)壓縮算法對采集處理后的數(shù)據(jù)進行壓縮處理。

ADPCM壓縮算法是一種音頻數(shù)據(jù)壓縮方法，屬于有損壓縮算法，壓縮/解壓縮算法復雜度低，是一種低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的聲音壓縮算法。ADPCM主要針對連續(xù)變化的波形進行壓縮，保存的是波形變化的情況，它的核心思想是：

（1）用自適應的思想改變量化階的大?。?/p>

（2）使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預測值，使實際樣本值和預測值之間的差值總是最小。

通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，ADPCM算法應用于陣列聲波單極和偶極數(shù)據(jù)壓縮效果較好，也在實際測井資料中得到了進一步的驗證。

2.3 算法程序?qū)崿F(xiàn)

信號采集和處理算法實現(xiàn)流程為：首先進行參數(shù)和系統(tǒng)初始化，然后對FLASH存儲模塊進行壞塊檢查、標注等處理工作。完成以上工作后，接收數(shù)據(jù)采集命令進行數(shù)據(jù)采集和FIR數(shù)字濾波，然后分析判斷采集的波形信號進行自適應增益調(diào)整，最后進行壓縮處理，待一個工作周期的四個子周期采集處理完成之后，把數(shù)據(jù)存儲到FLASH中，至此完成了一個周期即一個地層深度點的測量。其數(shù)據(jù)采集和處理程序流程圖如圖5所示。

圖5：數(shù)據(jù)采集和處理程序流程圖

3 結(jié)論

（1）該儀器采用高性能微處理器TMS320F28335設計采集控制與處理電路，用高精度采集芯片AD7656設計采集電路，能夠并行采集16道聲波信號，并能進行高速處理。

（2）采用128階FIR帶通數(shù)字濾波器，對儀器與井壁碰撞產(chǎn)生的低頻干擾和其他高頻干擾具有較好的抑制作用。采用ADPCM壓縮算法，大大較少了數(shù)據(jù)傳輸時間，極大地較少了存儲式儀器的存儲空間。

（3）試驗表明，所設計的數(shù)據(jù)采集處理電路工作穩(wěn)定可靠，測井效果良好，已用于過鉆桿泵出式測井。