前置通道信号调理电路中滤波器的设计是重点 也是难点所在 。由于声波全波列测井中采集的信号 是在一定时域内的声波传播回波 ,信号输入电平最 大在 200mV 左右 ,为不标准振荡波列 。单极子阵列 声波信号与固井质量信号主频在 10kHz 左右 ,偶极 子阵列声波信号与斯通利波信号主频在 115kHz 左 右 ,所以本设计主要是在低频段进行 ,滤波器带宽设 置为 2115kHz (115kHz～23kHz) 。
1 引 言
多极子阵列声波测井系统是一套声波全系列的 测井仪器 ,它可以完成包括常规声波仪器要求的各 种测量服务 。该系统主要用于直接提取软硬地层中 纵横波参数及斯通利波参数 ,以适应各种地层的测 井解释要求 。本文主要对该系统中声波全波列首波 到时进行分析 ,重点介绍了前置通道信号调理电路 设计与首波到时提取算法 。
利用 Multisim 8 仿真软件进行滤波器仿真 ,仿真 原理图如图 3 所示 ,得到的带通滤波器仿真结果为 截止频率在 11511kHz～23151kHz 的幅频特性曲线 。
按仿真元器件参数设计出实际滤波器 。前置通
道信号调理电路输入幅值为 50mV 的正弦波时 ,用
示波器在带通滤波器输出端测试其输出电压 ,测试
收稿日期 :2006202217 ;收到修改稿日期 :2006204225 基金项目 :中海油企业发展基金资助 ( H04010701W070552)
212 前置通道信号调理电路设计 阵列声波全波列测井中前置通道信号调理电路
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其产生声波信号 ,经过地层传输到接收换能器 ,再由 接收换能器将接收到的声波信号转换成电信号以待 前置通道信号调理电路处理。图 1 中接收阵列信号 就是所要接收的声波全波列信号 ,它主要由三部分组 成 :纵波 (Vp) 、横波 (Vs) 和斯通利波 (Vst) 。由于纵波 速度较快所以首先到达 ,斯通利波速度最慢因而最后 达到 。在短源距测井中三个波有部分可能混叠在一 起 ,而长源距测井中三个波在时间轴上会明显区分。
100
中国测试技术
2006 年 7 月
值相差不大 。另外此方法是借助于离散傅立叶变换 而来 ,若在采样过程中保证采样点的数目为 2 的整 数次幂 ,傅立叶变换所需时间就越少 。具有计算速 度快的优点 ,而且经过周期图法变换后得到的功率 谱密度函数具有较高的精度 ,这是三角级数法无法 比拟的 。
摘 要 :本文分析阵列声波测井中声波全波列信号的特点 ,采用前置通道信号调理技术对声波信号进行预处理以 便于首波提取 ,并阐述一种首波到时的提取技术及实现算法 。前置通道信号调理电路的设计采用了自动增益控制 技术 ,可实现增益的自动调节 。首波提取采用了短窗 - 长窗能量比算法 ,能够精确地检测到首波 。 关键词 :阵列声波 ;信号调理 ;首波 ;横波 ;全波列 中图分类号 :P63411 文献标识码 :A 文章编号 :167224984 (2006) 0420004202
2 阵列声波测井前置通道信号调理技术
211 声波信号产生与接收模型 阵列声波测井主要采用图 1 方式产生声波全波
列信号 。接收换能器两组各八个 :八个相邻半英尺 的单极子接收换能器 ( R1 、R2 、R3 、R4 、R5 、R6 、R7 、 R8) 和八个相邻半英尺的偶极子接收换能器 ( R21 、 R22 、R23 、R24 、R25 、R26 、R27 、R28) ,每个接收换能器 有两根信号引出导线 。为简单记 ,图 1 中只画出了 一组 ,可以把它看成两组 。发射换能器有 4 个 ,从上 到下 T01 ( 单极) , T23 ( 偶极) , T24 ( 斯通利波) , T02 (单极) 。通过 Fire 信号对发射换能器进行触发迫使
路处理后 ,进行 AΠD 采样 ,采样数据传给 DSP 进行
处理 。从流程上来看 ,前置通道信号调理电路的设
计以及首波提取算法的选择都会影响到对首波的提
取精度 。前置通道信号调理电路前已述及 ,下面针
对首波的有效提取主要从原理和软件设计方面论述
一种首波提取算法 。
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一化的信号幅值 。
第 m 个步进短窗时的长窗 (见图 5) 能量值 Em
为:
m
∑ Em
=
1 m i =1 Sm
(2)
短窗能量与长窗能量比值 Rm 为 :
Rm
=
Sm Em
(3)
在首波到达前 ,包络振幅近于 0 值 , Sm 与 Em 近于相
在检测到初始值后 ,再根据 E1 < E2 < E3 这个
约束条件来判断是首波还是噪声 ,这样就能够比较 精确地提取到首波 。
参考文献 [1 ] 翟婉明 1 车辆 —轨道耦合动力学 (第二版) [M]1 北京 :
中国铁道出版社 ,20011
[2 ] 王福天 1 车辆系统动力学 [ M] 1 北京 : 中国铁道出版 社 ,19941
[3 ] 罗 林 1 轨道随机干扰函数 [J ]1 中国铁道科学 ,1982 ,
3 :74 - 821 [4 ] 王元丰 ,王 颖 ,王东军 1 铁路轨道不平顺模拟的一种
4 结束语
本文论述了在阵列声波测井中前置通道信号调 理的实现技术以及对采集到的声波信号进行首波提 取的方法 。在阵列声波测井中 ,该设计能够较好地 对接收到的声波信号作预处理 ,同时首波提取算法 也具有较高精度 ,可以较好地完成首波到时计算 。 该设计目前通过了测试 ,并已经投入到下井试验中 。
图 4 中 , E1 、E2 和 E3 的关系是 E1 < E2 < E3 , 我们的解决方案分为两步 :首先使用短窗 - 长窗能 量比的方法检测出信号的初至波 E1 ;然后根据当前 的上位机发出的控制命令确定信号的主频 ,在时间 序列上往后寻找 E2 , E3 ,根据 E1 < E2 < E3 这个关 系式 ,确定 E1 是首波还是噪声[2] 。
下面重点阐述短窗 - 长窗能量比方法检测弱初 至信号的算法 。计算短步进时窗与长累积时窗能量
比的原理见图 5 。图中每个步进短窗窗长相等 (取 6
个取样点) ,每次步进一个样点 ,以第 n 个样点为开
窗点的第 m 个短时窗能量值 Sm 为 :
n+ l- 1
∑ Sm =

2 i
(1)
i= n
式 (1) 中 , l 为窗长 , Ai 为信号能量 。Ai = x2i , xi 为归
新方法[J ]1 铁道学报 ,1997 ,6 :110 - 1111 [5 ] 徐昭鑫 1 随机振动[M]1 北京 :高等教育出版社 ,19901 [6 ] 陈 果 ,翟婉明 1 铁路轨道不平顺随机过程的数值模
拟[J ]1 西南交通大学学报 ,1999 ,2 :139 - 1401
(上接第 5 页)
本设计采用 ADG409 实现对四路差分输入信号 的选择 ;差分放大器采用 AD625 实现双端模拟信号转 换成单端模拟信号 ,调整其外围电阻使其差分增益为 5 ;衰减网络采用高精度电阻网络 ,每挡 3dB 间隔进行 衰减 ,衰减范围从 0dB 到 - 21dB ; 前级与后级放大器
采用 OP27 与 ADG409 以及电阻网络相结合达到增益 可控的目的 ,前级放大器位于滤波器之前 ,后级放大 器位于滤波器之后 ,这样有利于提高滤波器的性能 , 较好防止信号失真 ,同时也有利于后续电路对信号的 分析[6] ;带通滤波器主要采用 OP471 与相应电阻电容 来实现 。100 K 串口控制主要是通过单片机将控制数 据以串行方式传到前置通道信号调理电路的移位寄 存器 CD4094 中 ,由移位寄存器锁存数据 ,从而实现对 前置通道信号调理电路相应芯片的控制 。 213 滤波器设计
311 首波提取原理及算法 在整个采集过程中首波的提取是最重要的 ,它
不仅直接决定自动增益的效果 、地层时差的精度 ,同 时提取的首波到时也可以作为质量控制参数 。首波 提取的难点是 ,首波幅度一般很小 ,易于和系统噪声 混淆 。首波前后的信号特性 ,如图 4 所示 。
等 ,则 Rm 为一条近于 1 的水平直线 ; 波至点处 , Sm 会突然增大 ,而 Em 滞后于 Sm 缓慢增大 ,因而在波 至点处 Rm 表现为一明显的脉冲极值[4] 。根据具体 情况选择合适的门槛值 ,就可以检测到弱初至波 。
21Technical Center2China Oilfield Services Co1Ltd ,Beijing 101149 ,China)
Abstract :This paper analyzed the characteristic of the acoustic full waveform of acoustic array1Head wave could be easily picked up through signal processing1A method of detecting and correcting head wave of acoustic array was also introduced1The gain of receiver input channel could be controlled automatically1The head wave of acoustic array could be accurately detected by the method of energy ratio of short2window and long2window1 Key words :Acoustic array ;Signal process ; Head wave ;Shear wave ;Acoustic full waveform