隨鉆脈沖曼碼信號處理研究*

劉天時， 魏　雨， 趙　越， 邱　彬

(1.西安石油大學 計算機學院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065)

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隨鉆脈沖曼碼信號處理研究*

劉天時1， 魏雨1， 趙越1， 邱彬2

(1.西安石油大學 計算機學院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065)

摘要:隨鉆測量過程中，井下隨鉆測量信號通過鉆井液脈沖方式傳輸到地面，地面采集到的信號往往包含了各種噪聲和干擾，為了正確地恢復源信號，采用基于最小均方的自適應噪聲對消算法。同時，利用改進鎖相環方法來正確地恢復時鐘，尋找準確的采樣點。通過現場采集的鉆井液脈沖信號進行驗證，曼碼信號處理能成功恢復碼子，還原有效信息。

關鍵詞:隨鉆測量； 曼碼； 最小均方； 時鐘恢復； 自適應噪聲對消

0引言

目前，隨鉆測量在工程上主要采用鉆井液脈沖編碼調制技術進行無線傳輸通信，該技術運用時間長，發展成熟[1,2]。但是，由于鉆井環境復雜惡劣，泥漿、壓力和地質條件以及井深等條件的限制，隨鉆測量中井口采集到的鉆井液脈沖信號往往包含各種噪聲和干擾，同時信號易發生頻偏，直接影響信號恢復結果的正確性。因而，正確可靠地恢復出原始信息，實時了解井下參數和控制井眼軌跡尤為重要[3]。本文針對井下隨鉆測量信號采用自適應信號處理技術，并進行時鐘恢復處理，還原有效信息。

1隨鉆測量脈沖信號特點

隨鉆測量通過鉆井液脈沖傳遞信息，鉆井液脈沖信號實質是先將井下信息轉換為電信號[4]，然后再通過泥漿泵轉換為壓力脈沖信號，以鉆井液為介質將信號傳輸到地面[5]。地面檢測到泥漿壓力接收脈沖信號后再解碼，從而獲取隨鉆參數。

2隨鉆脈沖信號曼碼處理

本文隨鉆脈沖信號采用曼徹斯特編碼，簡稱曼碼。首先對接收到的信號進行處理，去除噪聲和干擾。處理系統主要采用基于最小均方的自適應噪聲對消方法進行信號處理，然后對處理后的信號采用改進的時鐘恢復機制，尋找采樣時鐘進行數據恢復，其流程如圖1所示。

圖1　曼碼信號處理系統流程圖Fig 1　Flow chart of Manchester code signal processing system

2.1自適應信號處理

信號處理方法主要包括低通、高通和帶通濾波，在實際應用中均有一定的限制和弊端[6,7]。自適應是信號處理的一種方法[8,9]，可恢復出原始信息[9]，即具有“跟蹤”“自學習”的能力[10]。

自適應干擾對消最小均方算法是通過不斷地調節自適應濾波器參數，最終使得信號估計的均方誤差最小[11]。然后從原信號中去除噪聲干擾，恢復出原始信息。其具體原理如下：

根據曼碼信號的特點，恢復原始信息[12～15]，其輸入信號為

y(n)=d(n)+n0.

(1)

其中，d(n)為發送的源信號，n0為高斯白噪聲信號。

對輸入信號進行去直流得

yAC(n)=y(n)-yDC.

(2)

(3)

誤差信號為e(n)，即自適應處理的輸出

(4)

化簡為

(5)

將式(5)兩邊取平方，求期望得到

E[e2(n)]=

(6)

由于噪聲干擾與發送信號是不相關的，上式可表示為

(7)

逐步調節濾波器參數，使E[e2(n)]最小化時，源信號能量E[d2(n)]是固定不變的，從而輸出最小能量為

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2自適應噪聲對消

自適應干擾對消原理如圖2所示。其輸入為接收到的泥漿壓力脈沖信號[16]，參考控制輸入端為相應的噪聲,誤差輸出是去除噪聲干擾的信號。

圖2　自適應噪聲對消流程Fig 2　Flow chart of adaptive noise canceling

2.3隨鉆脈沖接收信號處理與分析

對實際的隨鉆測量信號采用上述自適應干擾對消方法進行信號處理，如圖3所示。其中,深色線條表示接收器采集到的信號，淺色線條表示處理后的信號。

圖3　信號自適應濾波處理結果Fig 3　Result of signal after adaptive filtering

由圖3可見，經過自適應干擾對消處理后的信號，在一定時間后達到穩定狀態。截取達到穩定狀態后的處理信號，如圖4所示。

圖4　穩定態信號Fig 4　Stable state signal

圖4中深色為原始信號，淺色為處理后的信號，可以看出，從噪聲中恢復出的曼碼源信號得到保留，其他噪聲干擾得到很好地抑制，從而達到了消除噪聲干擾的目的。

3時鐘恢復

3.1曼碼時鐘恢復存在的問題

信號在通信過程中由于受信道的影響，頻率會發生偏移。為了穩定高效地恢復原始信息，時鐘恢復顯得尤為重要[17]。

3.2改進鎖相環方法

在原始鎖相環基礎上，為了達到更高的靈敏度，提出以下鎖相系統的設計方案，其流程見圖5所示。

圖5　曼碼時鐘恢復閉環系統流程Fig 5　Flow chart of Manchester code clock recovery closed-loop system

先對輸入信號通過限幅放大器(LA)進行限幅處理，然后，依次通過數據集成調制器(SM)、數據積分器(DI)、誤差積分器(EI)和誤差集成調制器(EM)，由誤差集成調制器產生調節信號，控制鎖相環電路。根據鎖相濾波器輸出，控制壓控振蕩器(VCD)產生三個輸出，其中，第一個輸出信號用于控制采集數據積分裝置，使數據積分裝置完成一個完整的周期采樣；第二個輸出信號用于采集誤差積分裝置，使誤差積分裝置完成半個周期采樣；第三個輸出信號為時鐘信號，控制兩個D觸發器，進行信號處理，其輸出為不歸零(NRZ)信號輸出。數據積分與誤差積分輸出信號控制誤差調制器輸出，再調節電壓控制振蕩器(VCD)輸出，從而構成時鐘恢復閉環系統。數據積分(DI)和誤差積分(EI)輸出控制相位鎖存(PLD)，由PLD信號輸出。

曼碼時鐘恢復閉環系統各部分輸出波形見圖6所示。對自適應處理后的泥漿脈沖信號采用上述時鐘恢復技術得到時鐘信號，如圖7所示。可以看出，此方法能正確地恢復系統時鐘，有效控制抽樣器譯碼。

圖6　時鐘恢復閉環系統的輸出波形Fig 6　Output waveform of clock recovery closed-loop system

圖7　處理后的信號及其時鐘Fig 7　Signal after processing and its clock

4結論

本文對現場采集的泥漿壓力脈沖信號采用自適應干擾對消技術，消除噪聲干擾，恢復源信號，并運用改進鎖相環方法進行時鐘恢復，控制抽樣。

1)對采集的泥漿壓力脈沖信號運用自適應干擾對消方法進行信號處理，根據實際的時間和精度要求，選取適當的濾波器長度和調整因子，可以有效地去除鉆井液脈沖信號噪聲和干擾，其操作簡單，處理結果穩定。

2)對自適應干擾對消處理后的信號進行時鐘恢復，結果表明，改進鎖相環方法能有效地恢復出系統時鐘。

參考文獻:

[1]袁鵬斌, 余榮華, 歐陽志英.無線隨鉆測量信息傳輸的現狀與問題[J].焊管, 2010, 33(10):65-69.

[2]解慶, 白玉新, 羅翔, 等.井上泥漿壓力脈沖信號的無線高速采集與傳輸系統[J].石油管材與儀器, 2015, 1(1):20-22.

[3]趙建輝, 王麗艷, 盛利民, 等.去除隨鉆測量信號中噪聲及干擾的新方法[J].石油學報, 2008, 29(4):596-600.

[4]劉海軍.隨鉆測量數據傳輸方式的現狀和發展趨勢[J].西部探礦工程, 2014, 26(4):67-71.

[5]蘇義腦, 竇修榮.隨鉆測量、隨鉆測井與錄井工具[J].石油鉆采工藝, 2005,27(1):74-78.

[6]涂兵, 李靜怡, 王思成, 等.基于曼徹斯特編碼的鉆井液脈沖信號提取算法[J].石油鉆探技術, 2014, 42(5):85-89.

[7]陳莉.自適應濾波算法與應用研究[D].西安：西安電子科技大學, 2006.

[8]吉訓生, 王壽榮, 許宜申, 等.自適應Kalman濾波在MENS陀螺儀信號處理中的應用[J].傳感器與微系統, 2006, 25(9):79-81.

[9]陸光華, 彭學愚, 張林讓.隨機信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社, 2002.

[10] 王友功, 薛培鼎.數字濾波器與信號處理[M].北京：科學出版社, 2003.

[11] 王海濤.自適應噪聲對消在引信數字信號處理系統中的應用[J].制導與引信, 2009(1):13-17.

[12] 馬超群, 張亞洲, 萬曉玉, 等.隨鉆測量系統的井下數據傳輸方式的研究[J].西部探礦工程, 2014, 26(10):58-60.

[13] Guo X, Sun H, Yeo T S.Interference cancellation for high-frequency surface wave radar[J].IEEE Transactions on Geosciences and Remoter Sensing, 2008, 46(7):1879-1891.

[14] 邱彬, 周靜, 高建邦, 等.隨鉆測量信號中泵沖噪聲對消[J].石油機械, 2014, 42(12):22-26.

[15] 沈宏, 張蒲, 徐其惠, 等.改進自適應噪聲對消算法的窄帶干擾抑制[J].儀器儀表學報, 2008, 29(12):2632-2636.

[16] Wassermann I, Ortiz J I A.Noise cancellation in wellbore system:US,12/170,573[P].2008—07—10.

[17] 萬曉峰, 張彧, 姜龍.無線突發通信全數字接收機時鐘恢復算法[J].清華大學學報:自然科學版, 2010(5):801-804.

Research of Manchester code signal processing in measurement while drilling*

LIU Tian-shi1, WEI Yu1, ZHAO Yue1, QIU Bin2

(1.School of Computer Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China;2.School of Electronic Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China)

Abstract:Drilling fluid telemetry system is particularly adapted for telemetry of information from the bottom of a borehole to the surface by mud pulse systems,but the signal often contains a variety of noise,in order to correctly recover the original signal,based on least mean-squares adaptive noise canceling algorithm is adopted.At the same time, applying an improved phase-locked loop method to correctly recover clock, and look for accurate sampling point.By drilling fluid pulse signal acquired on the field, it is verified that the Manchester code signals processing can recover the original code accurately and restore efficient information.

Key words:measurement while drilling; Manchester code; least mean-squares; clock recovery; adaptive noise canceling

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0029—04

收稿日期：2015—12—07

*基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2012JM8037)； 西安石油大學優秀碩士學位論文培育資助項目(2014YP130612)

中圖分類號:TN 911.7

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0029—04

作者簡介:

劉天時(1960-)，男，陜西西安人，博士，教授，碩士研究生導師，主要研究方向為計算機應用技術、通信與信息系統。

魏雨，通訊作者，E—mail：happyweiyu@126.com。