基于開關切換混頻的隨鉆電阻率信號處理系統

摘? ?要： 針對隨鉆電阻率測井儀器中電路系統工作溫度高、電路板安裝空間狹小、信號靈敏度低等現狀，基于開關切換混頻原理，設計一種隨鉆電阻率信號處理系統。依據原有隨鉆電阻率測井儀器電路系統基本結構和特點，進行優化和改進：通過FPGA對16 MHz信號進行8分頻實現，生成2 MHz信號;設計開關切換混頻電路，實現信號由2 MHz向2 kHz的轉換。FPGA的引進，降低了對溫度的敏感性，壓縮了電路板面積，使得隨鉆電阻率測井儀器可靠性得到提高，能夠更加適應井下狹小空間和高溫高壓的惡劣環境。測試驗證表明，幅度比和相位差的測量相對誤差都在1%以內，完全滿足隨鉆電阻率測量精度要求。

關鍵詞： 隨鉆電阻率;測井儀器;開關切換混頻;FPGA;幅度比;相位差

中圖分類號：TH816? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 01-023-05

工業技術創新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.005

引言

隨鉆測井技術是近年來迅速崛起的先進測井技術[1]。與傳統的電纜測井儀器不同，隨鉆測井儀器的測量結果克服了鉆井液對地層滲透的影響，更加有利于精確地獲得地層的工程和地質參數，更為真實客觀地反映地層的特性，從而實現對地層的快速準確評價[2]。隨鉆電阻率測井儀器是隨鉆測井儀器家族中應用最為廣泛的儀器，也一直是行業研究的熱點[3-5]。

隨鉆電阻率測井儀器中關于信號采集以及幅度比與相位差檢測計算的研究已經起步。劉升虎等[6]、潘光瑋等[7]的研究聚焦于通過直接數字頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術實現信號發射。

本文針對隨鉆電阻率測井儀器中電路系統工作溫度高、電路板安裝空間狹小、信號靈敏度低等現狀，意圖從發射和接收一體化的角度，基于數字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）和開關切換混頻等技術，設計一種隨鉆電阻率信號處理系統，實現高性能、高精度的幅度與相位檢測，并通過測試加以驗證。

1? 隨鉆電阻率測井儀器電路系統基本結構和特點

隨鉆電阻率測井儀器通過測量電磁波在地層中傳播前后幅度與相位的變化量（即幅度比與相位差）來計算地層電阻率。該儀器電路系統的基本結構如圖1所示。系統由1個發射天線和2個接收天線組成，2個接收天線分別接收發射天線發射出的電磁波信號。通過電路采集處理模塊對2個接收天線分別接收的信號進行幅度和相位的測量，可以反演出電磁波信號經過的地層的電阻率[8]。國內外已經在儀器工作頻率選擇方面經過充分論證和試驗，表明100 kHz～10 MHz這個頻率段的電磁波信號作為工作頻率對地層電阻率的響應最為敏感，一般選擇2 MHz或者400 kHz，后續隨鉆電阻率測井儀器電路系統的研制以2 MHz作為工作頻率。

考慮到隨鉆電阻率測井儀器工作環境比較惡劣，特別是易受到高溫（150℃以上）和振動等影響，為了保證電路系統工作的可靠性，在實際電路系統設計當中使用的微處理器、模擬數字轉換器等關鍵芯片的工作頻率都相對較低，不能滿足對2 MHz信號進行直接采集和處理的需求。因此在信號處理設計當中需要對2 MHz信號進行乘法混頻和濾波，將采集和處理的信號頻率降到kHz級別。實際電路中一般將信號頻率降到2 kHz，實現該功能的關鍵往往是使用直接數字頻率合成器和乘法混頻器等[9-11]，但該類芯片涉及復雜的模擬電路或者數模混合電路，其功耗較大、溫度適應性較差。對于信號采集和處理來說，混頻輸出應只與接收信號的幅度比和相位差有關，而與本振信號的參數無關。因此乘法混頻器并不是最佳選擇，而通過數字開關實現接收信號混頻的技術，即開關切換混頻技術，可以有效克服上述不足。

2? 開關切換混頻原理

圖2所示為開關切換混頻電路的基本結構。混頻中的輸入模擬信號。該信號的幅度A和相位ω0被分成兩路：一路與原信號一致;另外一路對原信號進行反向，即-?1（t）。為了保持信號相位的一致性，在原信號鏈路中插入了緩沖級。混頻中的開關切換信號使用數字方波信號?2實現，該信號控制開關的導通和截止。

數字方波信號?2的表達式為

（1）

輸出?3（t）=?1（t）×?2（t），其中?2（t）由傅里葉變換展開，表達式為

（2）

從式（2）可以看出，數字方波信號?2（t）由基本頻率的1、3、5、…倍的各次諧波之和構成。因此

（3）

如果?1（t）和?2（t）的頻率ω1和ω2比較接近，那么ω1-ω2將是一個相對于ω1和ω2比較低的頻率，此時式（3）中部分的頻率將遠低于其它部分，進行合適的低通濾波后，可只此部分。例如在本設計中ω1取2.002 MHz，ω2取2 MHz，則經過圖2所示電路進行混頻，生成的信號經過略高于2 kHz的低通濾波以后，只剩下部分，其頻率為ω1-ω2=2 kHz。該部分還包含了?1（t）的幅度A和相位ω0，符合通過電磁波在地層中傳播后幅度與相位的變化量來計算該地層電阻率的要求。通過上述方法對2 kHz的信號進行采樣和處理，信號處理硬件設計難度將降低很多。

3? 系統硬件結構設計

3.1? 整體方案設計

根據第1～2章的分析，對隨鉆電阻率信號處理電路系統結構進行優化設計，整體原理框圖如圖3所示，該框圖是在圖1的基礎上進行改進和優化的。相比于圖1中傳統的隨鉆電阻率測井儀器電路系統結構，優化后的電路采用了數字并行能力更強的FPGA作為處理器。由于目前FPGA的數字資源非常豐富，有各種可直接調用的IP模塊，因此各種數字單元都可以在其內部實現。例如，生成2 MHz發射信號，可在FPGA內部使用分頻模塊對16 MHz晶振信號進行8分頻實現。由于開關切換混頻電路代替了傳統的模擬混頻電路，因此混頻信號生成模塊變得非常簡單，完全由數字電路實現，將需要進行開關切換、同步輸入信號?2（t）（2.002 MHz）的生成電路（即NCO電路）集成到FPGA內部，不需要額外的芯片。

3.2? 開關切換混頻電路設計

隨鉆電阻率測井儀器電路需要對兩路接收信號進行同步混頻處理，然后計算得出這兩路信號的幅度比和相位差。為了提高集成度、減少不同芯片固有誤差，采用集成了兩路開關切換選擇的AD8182芯片，實現兩路天線接收信號的關鍵開關切換。AD8182芯片是一款高速數字控制2選1的模擬多路選擇器電路，其在選擇信號輸入端SEL端輸入高電平或者低電平，選擇模擬輸入IN0或者IN1輸出到OUT端。該功能與開關切換混頻的功能完全一致，因此使用這種芯片將更加優化電路系統的結構。具體電路設計如圖4所示。每路天線接收信號分成兩路，分別經過放大同向緩沖和方向緩沖，分別接入AD8182的兩路，輸入IN0A、IN1A和IN0B、IN1B。

4? 測試驗證

使用標準信號源生成兩路具有一定的幅度比和相位差的正弦信號，模擬隨鉆時電磁波信號經過地層衰減后被兩路接收天線接收到的信號。測試過程參考實際地層對兩路信號幅度比和相位差的衰減情況，輸入7個典型的幅度比和相位差，測試結果如表1所示。根據表1中實驗數據可以測算出，幅度比和相位差的測量相對誤差都在1%以內，該精度完全滿足隨鉆電阻率測量精度要求。

5? 結論

本文設計了開關切換混頻電路結構，并將該結構應用到隨鉆電阻率測井儀器信號處理系統中，實現了從高頻信號向低頻信號的轉換，使用簡單可靠的數字電路替換了復雜的、功耗較大的模擬電路。系統利用FPGA的內部資源，將大量數字電路內嵌在FPGA內部，進一步簡化了電路結構，壓縮了電路板面積，降低了對溫度的敏感性，使得隨鉆電阻率儀器可靠性得到提高，能夠更加適應井下狹小空間和高溫高壓的惡劣環境。

同時，經過測試驗證，基于開關切換混頻的隨鉆電阻率信號處理系統的相對誤差可保持在1%以內，完全達到了隨鉆電阻率測井儀器的測量精度要求。

基金項目

國家科技重大專項課題（低滲透儲層高精度隨鉆成像技術研究2016ZX05021-002）

參考文獻

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作者簡介：

倪衛寧（1979—），通信作者，男，安徽黃山人，副研究員。研究方向：隨鉆測井儀器電路系統。

E-mail： nwnleeyy@163.com

（收稿日期：2020-01-13）

Signal Processing System of Resistivity While Drilling Based on Switching Mixing

NI Wei-ning

（Research Institute of Petroleum Engineering Technology， SINOPEC， Beijing 100101， China）

Abstract： In view of the current situation such as high working temperature， narrow circuit board installation space and low signal sensitivity in the circuit system of the logging while drilling （LWD） instrument， a kind of signal processing system of resistivity while drilling is designed based on the principle of switching mixing. According to the basic structure and characteristics of the circuit system in the original resistivity LWD instrument， the optimization and improvement are carried out： the 16 MHz signal is divided into 8 frequencies by FPGA to generate a 2 MHz signal; the switching mixing circuit is designed to realize the signal conversion from 2 MHz to 2 kHz. With the introduction of FPGA， the sensitivity to the temperature is reduced， the area of the circuit board is compressed， the reliability of the resistivity LWD instrument is improved， which can be more suitable for the tough environment of narrow logging space， high temperature and high pressure. The test validations show that the relative errors of amplitude ratio and phase difference are within 1%， which fully meet the measurement accuracy requirements of the resistivity while drilling.

Key words： Resistivity While Drilling; Logging Instrument; Switching Mixing; FPGA; Phase Difference; Amplitude Ratio