井下微弱信號的分析處理與研究

西安石油大學電子工程學院 王 征 劉升虎 武 園 李 野 房 昭

1 課題研究背景

電路在理想環境下工作時，不管被測信號是有多么微弱，只要將信號合理放大，就可以對信號進行準確測量。然而，現實中井下工作電路基本上都會受到不同程度的干擾，比如噪聲、振動、高溫、高壓、磨損情況等。因此，檢測微弱信號的時候，如果想提高整個系統的測量精度，提高信號的信噪比就顯得尤為必要。在系統中，抗干擾始終是人們需要考慮的問題，尤其對于微弱信號的采集、遠距離數據傳輸系統來說，抗干擾性能良好是保證系統可靠性的必要條件。

2 行業發展中井下信息無電纜傳輸技術研究的重要性

此研究是將鉆井過程中的井斜、方位、地層傾角、地層壓力、地層電阻率、巖性密度、自然電位等井下信息實時地傳輸到地面，進而對認識地層特性、指導鉆井作業、提高生產效率、合理開采油氣資源有重要的意義。

隨鉆測井相較于裸眼井測井的優勢在于：（1）地層受侵入效應的影響小；（2）所獲取的地層信息更真實；（3）鉆井的進尺速度較慢，有利于進行精細測井。但是隨鉆測井需要向地面傳輸的信息量很大，現有的泥漿壓力脈沖傳輸速率很難滿足實際的生產需求。目前，井下信息傳輸體制已成為制約隨鉆測井進一步發展的桎梏，因此，進行井下信息傳輸技術的研究已經迫在眉睫。

3 井下信息無電纜傳輸技術研究中信號處理分析的必要性

信號的傳輸是通過生產油井的油管和套管作為傳輸路徑實現傳輸，使用電路等效傳輸線的方法，即不需要傳統的數據傳輸信道，比如電纜、光纖等，此方法稱為“無線傳輸”。在無線傳輸中，用電路來等效傳輸線則變得尤為重要。采用電纜傳輸本身就具有一定的難度，此時又要通過電路來等效電纜采集信號，由于井下環境復雜，信息會受到不同程度的干擾，因此，所采集的信號通常比較微弱，若要研究分析該信號，則需要通過信號處理電路。信號處理電路采用了數字信號處理器，它的主要功能是通過高速A/D對接收的微弱信號進行采集、放大、濾波等處理，并將結果保存在存儲器中，同時通過串口進入計算機，應用計算機中的軟件進行模擬仿真，對井下所采集的信息進行處理和分析，進而得知井下的巖層結構及油氣藏所在的位置。

4 信號處理的實現

（1）信號處理功能的實現

如圖1所示，通過傳感器采集井下微弱信號傳輸至地面，通過放大電路將微弱信號進行放大處理，再進行A/D轉換，即將模擬信號轉換成數字信號，便于處理與分析；然后，將轉換后的數字信號輸入到DSP系統進行處理，此時應注意該系統的系統參數，進而提高系統的穩定性；接下來將結果保存在存儲器中，通過串口進入計算機，實現信號處理功能。

圖1 信號處理程序框圖

（2）DSP系統

數字信號處理就是用數值計算的方法對信號進行處理，這里“處理”的實質是“運算”，處理對象則包括模擬信號和數字信號。[2]其優勢：1、可程控；2、穩定性好；3、可重復性；4、抗干擾性能好等。[3]而數字信號處理器（DSP系統），是一種適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用在于實時地快速地實現各種數字信號處理算法。

5 方案設計

（1）前置放大器

在井上接收電路中，前置放大器是微弱信號檢測儀器裝置中的主要部件，因此，在本方案中涉及到了前置放大電路的設計。從理論計算、計算機仿真及實際電路調試等方面著手設計了與之相匹配的前置放大電路，同時完成了地面接收系統的相干解調電路設計，利用計算機軟件完成了終端用戶界面的設計，最終實現與計算機的通信。

（2）采樣定理

采樣定理，又稱香農采樣定律、奈奎斯特采樣定律，是現代數字信號處理的理論之一。為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率fs應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率fc 的2倍（ f s≥2f c）。采樣定理的重要性在于它是連續時間信號和離散時間信號之間的橋梁，所以本方案嚴格遵守采樣定理，確保方案設計的可行性。[1]

（3）調制解調

數字信號處理中的調制解調技術，可以將低頻的基帶信號搭載到高頻載波信號上，經過對傳輸信號的頻率搬移，使之找到更加合適的信號傳輸頻率段，并在此進行數據傳輸，系統的抗干擾能力明顯得到提升，同時信號的傳輸效率也隨之提高。

信號調制選擇FSK（頻儀鍵控），之所以采用FSK方式進行調制，是因為采用FSK方式調制的信號比采用ASK（振幅鍵控）方式調制的信號具有更好的抗干擾性，而FSK調制的實現技術比PSK（相移鍵控）調制的要求要簡單。綜合考慮，采用FSK方式進行信號調制。用其他兩種信號調制方式作實驗對比。[4]

（4）調試

整個方案執行到最后階段，調試環節也是不容小覷。一個好的調試方案，能及時合理的在調試過程中發現問題，從而通過進一步改進，最終提高系統的可靠性和穩定性。

6 結論

經過一系列的電路處理提取其中的有用信號并得到了一定的實用效果，主要研究了信號的處理與分析，成功進行了信號的調制，對信號接收調理進行了分析與研究，簡要討論了濾波與檢波，實現了FSK信號的解調工作。單獨增加信號輸入電壓或功率，接收端信號電壓幅值將增大。通過對信號的處理與分析，找出了可以使井下數據能穩定，可靠以及衰減幅度較小的無線傳輸頻帶。和理論的數據結果有較小的出入，為井下無線傳輸的進一步發展提供了參考。

在課題的研究過程中，將微弱信號中的強噪聲濾除，并對有用信號再放大后利用計算機終端進行處理分析，既簡單又直接是未來的一個大方向。本文主要是對井下的信息處理與分析得到相應的結論，對信號調理補償電路還未進行深入的研究。在今后的學習中，我們將進一步進行深入的研究與探索，為提高系統的穩定性和持久性，還需要作大量現場試驗研究工作。

[1]于慧敏.信號與系統[M].北京:化學工業出版社教材出版中心,2003,4(2):186.

[2]高西全,丁玉美.數字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2016(4):1.

[3]彭啟琮,李玉柏,管慶.DSP技術的發展與應用[M].北京:高等教育出版社,2013,5(3):2.

[4]杜睿攀.隨鉆測量數據的井下無線電磁傳輸系統設計研究[D].西安:西安石油大學,2013.5:40.