新型極低頻信號遙測系統的研制

殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長沙學院 電子與通信工程系，長沙 410003）

新型極低頻信號遙測系統的研制

殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長沙學院 電子與通信工程系，長沙 410003）

針對鉆井勘探系統自身特點和極低頻理論的要求，設計了一種基于極低頻信號技術的遙測系統，并重點介紹了其中接收機部分的結構與實現方法。試驗表明，所研制的新型極低頻信號遙測系統性能好、可靠性高，具有良好的工程應用價值。

極低頻信號；遙測系統；信號處理

0 引言

極低頻信號具有很強的穿透能力，因此不受地表水體、其他物體和地下特殊巖層的屏蔽，這可以彌補鉆井勘探對這些地質體以下反射弱的缺陷。基于極低頻信號遙測技術的鉆井勘探設備，具有便攜、易操作、采集數據快、探測深度大、機動性強和野外探測成本低等優點[1]。同時，在鉆井系統中具備一個先天條件，即鉆桿作為動力設備之外，也是一段很長的金屬導體，它的尺寸符合極低頻理論對天線的要求[2]。本文將介紹基于極低頻信號遙測技術的以鉆桿為天線的遙測系統及其接收機的研制。

1 新型遙測系統及其接收機的設計方案

如圖1所示，系統由兩部分組成：發射機和接收機。發射機隨鉆桿放至鉆孔內，發射機前端的傳感器把被測多路參數分別轉換成電信號，經一次調制轉換成數字編碼信號，經井下單片機將數據碼和控制碼轉換為串行碼，再進行頻率調制，二次調制后的信號送到發射機的功率放大器，然后通過天線發射出去。發射天線由鉆桿和井上鉆架組成，鉆桿和發射機之間用絕緣桿隔開。從鉆桿發射出的信號，經地層傳至地面，接收系統將鉆井架和離鉆井架30米左右的兩點電位差作為輸入信號。接收機把收到的信號放大，去干擾、解調，在同步脈沖的作用下分離出測量數據碼，經數據綜合處理后，存儲和顯示測量結果[2]。

圖1 鉆井遙測系統結構

如圖2所示，接收機采用單片機為核心的硬件構架。接收機各部分的功能主要包括：信號放大及整形處理、對2FSK信號的濾波、2FSK信號的位同步提取和解調、測量數據碼的提取與數據綜合處理、線性參數設置、數據分析結果顯示與系統抗干擾措施。

2 信號放大、濾波、位同步與解調

圖2 接收機硬件結構

輸入信號來源于微弱的地信號，其中既有調制信號又夾雜著很強的噪聲，并且隨著鉆頭鉆進的深度變化，信號的輸入動態范圍很大，因此需要把有用信號從噪聲中分離出來放大，便于后續電路檢出基帶信號并捕捉到位同步信息。系統選用的精密數據放大器AD524的芯片內部就集成了輸入保護電路，并具備阻隔直流、高輸入阻抗和高共模抑制比、能完成動態范圍大的輸入信號的放大的功能，從AD524輸出的脈沖串的形狀不一定規則，經光電耦合再送至整形電路處理。

為了保證濾波效果，采用了兩級數字濾波法，它是去極值平均濾波與低通濾波法的結合。它的算法為，用放大、整形處理過的每個2FSK矩形脈沖的下降沿去申請中斷，在每相鄰的兩次中斷之間，計數終值即為采樣值，連續采樣n次，將其累加求和，同時找出其中最大值與最小值，再從累加和中減去最大值與最小值，按n-2個采樣值求平均即得有效采樣值。數字濾波在頻率較低時，可非常有效地實現模擬濾波器的特性。

2FSK信號的位同步提取由監控程序進行控制和管理，它完成初始化、自檢、更改狀態、現場保護、中斷服務及參數選擇等多項任務。2FSK信號的解調用軟件實現，設置了同步跟蹤和失步強行跳轉功能，在測頻過程中，可通過對所測結果實行單一方向移動跟蹤搜索，并在自動診斷嚴重失步后，強行跳轉到位同步軟件中去，從而實現位同步的智能化。

3 測量數據碼的提取與數據綜合處理

主要包括數據分離數據串變并、數據判錯、數據鎖存、數據變換與處理等幾個方面。數據分離軟件功能模塊，完成從連續不斷的基帶脈沖序列中，識別出每一幀的幀頭，并將兩路測量數據與奇偶校驗位從中分離出來。為了進一步提高系統的測量精度，在測量數據作轉換和鎖存之前，調用濾波功能中的去極植濾波處理子程序進行處理，從而剔除因奇校驗未能判錯的錯誤碼值。為適應發射機前端兩路傳感器測量到井下壓力和溫度的數字量值，接收機端要分別進行線性參數標度變換和參數設置，使得測量精度盡可能地得到提高，使接收機的實用性與靈活性增強，可適用于測量范圍更廣的工程測量。

4 系統試驗

本系統分別在實驗室與模擬工程條件下進行了全面的試驗。直通式實驗，用另一臺單片機系統產生標準的2FSK信號，信號的幅值經過一個可調衰減網絡后，直接接入到接收儀的信號輸入端，比如壓力值從0Mpa到100Mpa按大約0.3Mpa的遞增量依次逐增，經過長時間的監測，從沒發現過去數據或錯數據的現象，其他數據測試亦正常。現場測試時，接收儀的輸入信號來源于兩個地電位差，用一組電纜耦合線圈去耦合接收發射機輸出負載線圈上的2FSK信號，并以此作為接收機的輸入信號，為了更真實地模擬工程條件，人為地在周圍施加多種干擾源，兩耦合線圈在50cm范圍內，接收機工作一切正常。

5 結論

以上分析與試驗結果表明，基于極低頻信號遙測技術的以鉆桿為天線的遙測系統及其接收機，具備良好的技術優勢和工程應用價值。其中對極低頻遙測技術中位同步碼與幀同步碼的提取，2FSK信號的解調及數據分離等技術均采用軟件實現，其性能好、可靠性高。作為一臺新型智能儀器，可望在石油、煤炭、地質勘探中得以推廣應用。

[1] 侯貴廷, 衣學磊, 等. 超長電磁波遙測技術在渤海深部油氣勘探中的應用[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2001,37(1)： 81-86.

[2] 殷科生, 盛旺, 等. 以鉆桿為天線的鉆井遙測系統的研究[J]. 長沙大學學報, 2005, 19(5)： 60-61.

Development of a new telemetry system for extrem-low frequency signal

YIN Ke-sheng, ZHANG Zhi-gang, LIU Wen-yan, FENG Wan

TP873

A

1009-0134(2011)5(下)-0152-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).48

2010-11-22

湖南省教育廳科研基金資助項目（09C121）

殷科生（1975－），男，湖南邵陽人，副教授，研究方向為檢測技術與自動化裝置。