CN100410486C - 一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置，其接收从信道中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；对接收到的信号进行低通滤波；对低通滤波后的信号进行直流分量的去除；对接收到的信号中的噪声建立噪声估计；对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算；对去除了直流分量的信号进行自适应滤波；采用码位相关运算判断码位，并根据编码协议从接收到的信号中解调出数据。即使在噪声环境恶劣的情况下，也能将有用信号从接收到的被噪声严重污染的信息中提取出来；同时通过所述的装置实现所述的方法，并兼容数种井下随钻测量仪器。

Description

一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置

技术领域

本发明涉及用于地质资源勘探和开发钻井中的随钻测量仪器，尤其是诸如随钻测量仪(MWD)、随钻测井仪(LWD)等利用钻井液压力脉冲序列来传递信息的随钻测量仪器。具体的讲是一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置。

背景技术

目前，国内外对于MWD(随钻测量仪)、LWD(随钻测井仪)等随钻测量仪器，多是采用泥浆(钻井液)压力脉冲作为信号传递方式，即将井下测量数据按照一定序列的脉冲编码进行调制，通过泥浆压力脉冲发生器在空心钻柱内部的泥浆流体中产生一系列的压力脉冲，在地面的立管上安装压力传感器测量泥浆的压力变化，通过一定的算法将井下测量数据解调出来。但是不管正脉冲还是负脉冲，随着测量井深的增加，由于泥浆压力脉冲信号在传递过程中不断的衰减，加上噪声和回波等因素的干扰，使得在地面上接收和检测信号变得困难，尤其是在噪声环境恶劣的情况下，现有的方法根本就无法检测出有用信号，限制了此类随钻测量仪器的使用，另外不同类型的仪器，其地面系统的互不兼容，使得现场工程师们使用和维护起来很不方便。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置，用以建立一种更有效的信号接收和检测方法，即使在噪声环境恶劣的情况下，也能将有用信号从接收到的被噪声严重污染的信息中提取出来；同时通过所述的装置实现所述的方法，并兼容数种井下随钻测量仪器。

本发明的技术方案为：

一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法，其接收从信道中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；

对接收到的信号进行低通滤波；

对低通滤波后的信号进行直流分量的去除；

对接收到的信号中的噪声建立噪声估计；

对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算；

对去除了直流分量的信号进行自适应滤波；

采用码位相关运算判断码位，并根据编码协议从接收到的信号中解调出数据。

所述的对接收到的信号进行低通滤波包括：所述的低通滤波通过硬件来实现；或所述的低通滤波通过软件实现。

所述的对低通滤波后的信号进行直流分量的去除包括：直接将信号值平均而得到直流分量，其中：平均长度不能过长以至于不能反映直流分量随时间的变化，并且平均长度不能过短以至于将正常的信号幅度调制损失掉；去除直流分量前后的信号波形。

所述的对接收到的信号中的噪声建立噪声估计包括：对泵开进行判断，泵开后压力稳定一个时间段(如60秒)之后开始发送信号，利用所述的一个时间段中的信号真空期，来建立噪声估计。

所述的对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算包括：对去除了直流分量的信号与信号模板(如系统同步字)进行内积运算；如果运算结果值大，则相似程度大，其对应的相关区域内的位置即为系统同步字的位置。

所述的噪声估计用以确定相关门限值。

所述的对去除了直流分量的信号进行自适应滤波包括：采用NLMS算法进行信号处理，其满足下式：

y(n)＝w(n)′×x(n)

e(n)＝y(n)-d(n)

$w(n+1)=w\left(n\right)+\frac{\mathrm{mu}\×e\left(n\right)}{{\left|\right|x\left(n\right)\left|\right|}^2}\×x\left(n\right)$

三式迭代运算直至w最终收敛，其中，x(n)为所述的去除了直流分量的信号，d(n)为事先设置的训练序列。

所述的采用码位相关运算判断码位包括：检测调制脉冲的相关运算，即：依次求一个调制窗口内所有采样点的平均值，这个平均值即为相关结果，并通过求局部极值来得到脉冲位置。

所述的采用码位相关运算判断码位包括：信号的脉冲幅度通过同步头对应位置的幅度平均值得到预先的估计，以确定相关门限。

在检测相关峰值时并不设定固定门限，而是根据先验的高低电平差值来检验，以克服直流电平在信号持续时间内的波动；

根据其预期峰值乘上一系数得到相关门限值，在超过此门限的相关值范围内将得到相关峰值的位置，此时相关窗与编码脉冲重合；并且门限可在信号处理过程中不断更新以适应信号环境的不断变化。

在检测出上一个编码脉冲的位置后，对于码位编码，下一个编码脉冲检测的起始点即可在紧接上一个编码脉冲后进行，即重设时间起始点；

对于组合码位编码，根据编码单元(即脉冲组合)来进行。

在解调过程中，将信号基底值与相关值作比较，以发现相关值的跳变；

不断平均信号幅度作为信号基底，而后将需检测区域的信号进行相关运算，将相关运算的结果与基底值作比较，如果差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲，并进一步搜寻跳变值的局部最大值，在此位置相关窗与脉冲重合；

如果跳变值未超过门限，且相关窗的滑动是从前往后，则至少在此窗口的起始处尚未包含编码脉冲，从而利用这些采样来更新基底值；

如果幅度跳变大于预设的比较门限则进入循环以搜索跳变的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于后面码位解调。

限制了相关结果超过门限的宽度；如果所述的相关结果低于某个门限宽度，即认为是突发噪声干扰而跳过；

在理想无噪情况下，大于预设门限kT的宽度应为2(1-k)T，其中T为编码脉冲宽度。

本发明还提供了一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的装置，其中包括：立管压力传感器、信号预处理单元、DSP信号处理单元、计算机；

所述的立管压力传感器与所述的信号预处理单元连接；所述的信号预处理单元与所述的DSP信号处理单元连接；所述的DSP信号处理单元与所述的计算机连接；

立管压力传感器：测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；

信号预处理单元：接收来自立管压力传感器的信号，且具有低通滤波功能，将高频干扰信号滤除；

DSP信号处理单元：设有AD模块、存储器；

计算机：存储信号、接收与检测数据、与DSP信号处理单元进行通信；并且：对低通滤波后的信号进行直流分量的去除；对接收到的信号中的噪声建立噪声估计；对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算；对去除了直流分量的信号进行自适应滤波；采用码位相关运算判断码位，并根据编码协议从接收到的信号中解调出数据。

所述的信号预处理单元为一信号预处理箱，所述的DSP信号处理单元为一DSP信号处理卡；其中：

立管压力传感器通过引线连接到预处理箱的信号线端子上，预处理箱的信号输出端子通过引线连接到插在计算机内母板的扩展插槽中的DSP信号处理卡的信号输入端子上；

立管压力传感器：测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；

信号预处理箱：含有电源、隔离板、信号预处理卡，电源向立管压力传感器供电，并且接收来自立管压力传感器的信号，其内的隔离板将外界危险电压与信号预处理卡和计算机隔离；信号预处理卡具有低通滤波功能，将高频干扰信号滤除；

DSP信号处理卡上设有AD模块、存储器；

计算机：存储信号、接收与检测软件及数据，并与DSP信号处理卡通信。本发明的有益效果为：通过提供一种接收和检测MWD/LWD信号的装置和方法，提高了对MWD/LWD信号的检测识别能力，增加了MWD/LWD的最大测量井深；并且其兼容数种井下随钻测量仪器，增强了地面信号检测装置的易用性和易维护性。

附图说明

图1是去直流分量前后信号波形变化对比图；

图1a是去直流分量前信号波形图；

图1b是去直流分量后信号波形图；

图2是开泵前后信源电平变化示意图；

图3是理想码位调制波形相关处理前后波形变化图；

图4是滤波后的实际码位解调示意图；

图5是本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

①建立一种更有效的信号检测方法，针对一般泥浆脉冲编码调制原理，即同步字加码位或组合码位调制原理，本发明给出一种更有效的泥浆压力脉冲信号检测方法，该方法的核心是对接收到的信号进行一次低通滤波，并去直流分量处理，然后再进行两次相关运算(一次对同步字，一次对码位)和一次自适应滤波来完成对信号的检测。在实际应用中，带有编码信息的信号被信道恶化，可以认为是信源的输入信号与信道传递函数相卷积造成码间干扰，采用自适应滤波对信源均衡处理即是将原始编码从这些被干扰信号中恢复出来，所以其处理的实质是解卷积(De-Convolution)运算。但是信道的特征随时间和空间变化，难以固定其滤波器参数，所以利用实际通信协议中的同步头来训练自适应滤波器。在训练过程中，由于信源所发送的内容已知，自适应滤波器不断调节参数使得输出和已知的正确内容间误差最小。但自适应滤波训练过程的开展必须依赖于同步头的精确定位，相关处理提供了这一处理所需的简单和强大的算法。具体内容如下：

1)低通滤波

由于有效信号是一个低频信号，因此信号中的任何高频部分都是都是干扰。低通滤波可以通过硬件来实现，也可通过软件实现，通过硬件实现可以减少后续信号处理的负担，通过软件实现则具有更大的灵活性，比如可以灵活选取窗函数和参数设计或改变滤波器等。为了取得良好的滤波效果，本方法采用了Kaiser窗函数。

2)直流分量的提取及去除

由于实际信号信道的恶化，信号的直流电平有较大幅度的波动，这对于有效信号的检测是一种很大的干扰。直流分量可以直接将信号值平均而得到，但求平均的长度需要仔细考虑。首先平均长度不能过长以至于不能反映直流量随时间的变化，其次平均长度不能过短以至于将正常的信号幅度调制损失掉。一般情况下平均长度约取10个时间槽长度，即大致相当于系统同步字长度。去除直流分量前后的信号波形变化见附图1。

3)建立噪声估计

估计泥浆压力脉冲信号中的噪声是一件麻烦的事，无论理论上分析的多么精细，也难以全面反映真实环境中的噪声。本发明根据井下脉冲发生器的工作规则，即泵开后压力稳定一段时间(如60秒)后开始发送信号，通过利用这一段信号真空期，来建立噪声估计，由于噪声的样值取自于真实情况，所建立的噪声估计更接近实际情况。

由于噪声估计建立于泵开后很短一段时间，因此判断泵开是一个关键问题。通常泵开后，立管压力逐渐升高，直至稳定，如附图2所示。所以判断信源电平的变化可以作为泵开的标志。根据经验，可以很容易给出一个压力门限作为泵开标志，但也可以通过泵开前后电平的显著差异这一特征作为判断泵开的方法。具体实施时，可根据需要选择。

噪声估计结果用于确定下面利用相关运算检测系统同步字时的相关门限值。

4)系统同步字检测

本发明采用相关运算来检测系统同步字。即将步骤2)中所得到的信号与信号模板(如系统同步字)进行内积运算，运算结果值大即认为相似程度大，其对应的相关区域内的位置即为系统同步字的位置。

因为系统同步字随机出现，没有办法预先确定一相关区域并寻找其最大值来定位同步字，如果人为地确定一相关区域而在这一区域同步字并未出现，简单地搜寻最大相关结果就会导致虚警的发生。在实时处理时，在相关后的判决过程中，首先要利用3)中的方法确定噪声估计，以确定相关门限值。例如，对于呈高斯分布的相关后噪声，可以取3倍其均方差值作为相关门限值而得到优于1％的虚警概率。

为了进一步降低虚警概率，实际应用中可以结合后面的解调过程进行。如果解调结果不符合规则，则同步头检测出现错误，需要重新检测。

5)自适应滤波

为了更可靠地解出调制了的数据，需要更有效地恢复原有信号波形。本发明采用的自适应滤波，在对系统缺乏足够参数的情况下对于恢复原有信号波形是十分有效的。在具体实施中，本发明采用了NLMS算法，因为NLMS算法是LMS算法的改进。而LMS算法的鲁棒性较好，并且涉及到的运算简单，主要运算均为矢量处理，没有复杂的矩阵乘法和求逆。主要计算步骤如下：

y(n)＝w(n)′×x(n)

e(n)＝y(n)-d(n)

$w(n+1)=w\left(n\right)+\frac{\mathrm{mu}\×e\left(n\right)}{{\left|\right|x\left(n\right)\left|\right|}^2}\×x\left(n\right)$

三式迭代运算直至w最终收敛，其中，x(n)为步骤2)中所得到的信号，d(n)为事先设置的训练序列，比如同步头。

6)信号解码

将5)中提取出的有用信号根据编码规则进行解码。由于数据的调制方式是码位调制，数据的正确解调依赖于调制脉冲位置的精确判断。对于这种情况相关运算可以达到很好的性能，不过此时进行的相关运算与检测系统同步字的相关运算有两点不同：1检测调制脉冲的相关运算实质上可以认为是依次求一个调制窗口内所有采样点的平均值，这个平均值即为相关结果可以通过求局部极值来得到脉冲位置。2信号的脉冲幅度可以通过同步头对应位置的幅度平均值得到预先的估计，这样可以比较准确地确定相关门限。为了进一步提高检测的可靠性，在程序中检测相关峰值并不设定固定门限，而是根据先验的高低电平差值来检验以克服直流电平在信号持续时间内的波动。如附图3所示，一带有方波脉冲的码位调制波形经过相关后得到三角波，可以根据其预期峰值乘上一系数得到相关门限值，在超过此门限的相关值范围内将得到相关峰值的位置即认为此时相关窗与编码脉冲重合。并且门限T可在信号处理过程中不断更新以适应信号环境的不断变化。

在检测出上一个编码脉冲的位置后，对于码位编码，下一个编码脉冲检测的起始点即可在紧接上一个编码脉冲后进行，即重设时间起始点；对于组合码位编码，还要根据编码单元(即脉冲组合)来进行。这样克服了由于采样率或信源定时不十分精确造成的误差积累最终使码位解调错误。

在解调过程中，将信号基底值与相关值作比较，以发现相关值的跳变。为了保证基底幅度的准确性，不断平均信号幅度作为信号基底。而后将需检测区域的信号进行相关运算，将相关运算的结果与基底值作比较，如果差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲，并进一步搜寻跳变值的局部最大值，在此位置即认为相关窗与脉冲重合。如果跳变值未超过门限，同时因为相关窗的滑动是从前往后，所以可以认为至少在此窗口的起始处尚未包含编码脉冲，从而可以利用这些采样来更新基底值。如果幅度跳变大于预设的比较门限则进入循环以搜索跳变的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于后面码位解调。

为了进一步提高可靠性，程序中还限制了相关结果超过门限的宽度。如果这个宽度低于某个门限宽度，即认为是突发噪声干扰而跳过。如附图3所示，在理想无噪情况下，大于预设门限kT的宽度应为2(1-k)T，其中T为编码脉冲宽度。在具体实施中，本发明对宽度门限取了保守值(1-k)T。其后，可利用上两次实际测出的最大跳变值平均结果来预设附图3中的参数T。附图4示意了各编码脉冲的定位情况，其中尖峰即为编码脉冲所在位置。

确定了上述码位或组合码位，结合编码协议就可以很容易解调出数据来。

②设计相关装置及配套软件

本发明设计的相关信号接收和检测装置如附图5所示，包括立管压力传感器、信号预处理箱、DSP信号处理卡、计算机。

立管压力传感器通过引线连接到预处理箱的信号线端子上，预处理箱的处理后信号输出端子通过引线连接到插在计算机内母板的扩展插槽中的DSP板的信号输入端子上。

立管压力传感器用于测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号的变化。预处理箱不仅向立管压力传感器供电，而且接收来自立管压力传感器的信号，其内的隔离板将外界危险电压与预处理卡和计算机有效隔离，有效地保护了这些设备。预处理卡具有低通滤波功能，将高频干扰信号有效滤除。DSP板上有AD模块用于采集数据，DSP板上有存贮器可以存储信号处理程序和数据。计算机用于存储信号接收与检测软件及数据，并负责硬件上和DSP通信。

与信号检测装置配套的软件，实现了上述信号检测方法，它用于驱动DSP板采集信号数据，进行信号处理和信号解码，具体包括低通滤波(可替代或补充预处理卡的低通滤波功能)、去直流分量处理、噪声估计、相关检测系统同步字，自适应滤波和相关检测码位，信号解码等操作。另外软件的设计还考虑了不同井下随钻测量仪器的地面系统兼容问题，这主要是通过考虑不同仪器的通信协议来实现的。

本发明给出了一种接收和检测MWD/LWD信号的装置和方法，其益处有二：一是提高了对MWD/LWD信号的检测识别能力，增加了MWD/LWD的最大测量井深；二是兼容数种井下随钻测量仪器，增强了地面信号检测装置的易用性和易维护性。

以上具体实施方式仅用于说明本发明而非用于限定本发明。

Claims (13)

1. 一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法，其特征在于，接收从信道中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；

对接收到的信号进行低通滤波；

对低通滤波后的信号进行直流分量的去除；

对泵开进行判断，泵开后压力稳定一个时间段之后开始发送信号，利用所述的一个时间段中的信号真空期，对接收到的信号中的噪声建立噪声估计；

对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算；

对去除了直流分量的信号进行自适应滤波；

采用码位相关运算判断码位，并根据编码协议从接收到的信号中解调出数据。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对接收到的信号进行低通滤波包括：所述的低通滤波通过硬件来实现；或所述的低通滤波通过软件实现。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对低通滤波后的信号进行直流分量的去除包括：直接将信号值平均而得到直流分量，其中：平均长度不能过长以至于不能反映直流分量随时间的变化，并且平均长度不能过短以至于将正常的信号幅度调制损失掉；去除直流分量前后的信号波形。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算包括：对去除了直流分量的信号与信号模板进行内积运算；如果运算结果值大，则相似程度大，其对应的相关区域内的位置即为系统同步字的位置。

5. 根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的噪声估计用以确定相关门限值。

6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采用码位相关运算判断码位包括：检测调制脉冲的相关运算，即：依次求一个调制窗口内所有采样点的平均值，这个平均值即为相关结果，并通过求局部极值来得到脉冲位置。

7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采用码位相关运算判断码位包括：信号的脉冲幅度通过同步头对应位置的幅度平均值得到预先的估计，以确定相关门限。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在检测相关峰值时并不设定固定门限，而是根据先验的高低电平差值来检验，以克服直流电平在信号持续时间内的波动；

根据其预期峰值乘上一系数得到相关门限值，在超过此门限的相关值范围内将得到相关峰值的位置，此时相关窗与编码脉冲重合；并且门限可在信号处理过程中不断更新以适应信号环境的不断变化。

9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在检测出上一个编码脉冲的位置后，对于码位编码，下一个编码脉冲检测的起始点即可在紧接上一个编码脉冲后进行，即重设时间起始点；

对于组合码位编码，根据编码单元来进行。

10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在解调过程中，将信号基底值与相关值作比较，以发现相关值的跳变。

11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，不断平均信号幅度作为信号基底，而后将需检测区域的信号进行相关运算，将相关运算的结果与基底值作比较，如果差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲，并进一步搜寻跳变值的局部最大值，在此位置相关窗与脉冲重合；

如果跳变值未超过门限，且相关窗的滑动是从前往后，则至少在此窗口的起始处尚未包含编码脉冲，从而利用这些采样来更新基底值；

如果幅度跳变大于预设的比较门限则进入循环以搜索跳变的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于后面码位解调。

12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，限制了相关结果超过门限的宽度；如果所述的相关结果低于某个门限宽度，即认为是突发噪声干扰而跳过。

13. 一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的装置，其中包括：立管压力传感器、信号预处理单元、DSP信号处理单元、计算机；

所述的立管压力传感器与所述的信号预处理单元连接；所述的信号预处理单元与所述的DSP信号处理单元连接；所述的DSP信号处理单元与所述的计算机连接；

立管压力传感器：测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；

信号预处理单元：接收来自立管压力传感器的信号，且具有低通滤波功能，将高频干扰信号滤除；

DSP信号处理单元：设有AD模块、存储器；

计算机：存储信号、接收与检测数据、与DSP信号处理单元进行通信；并且：对低通滤波后的信号进行直流分量的去除；对接收到的信号中的噪声建立噪声估计；对去除了直流分量的信号进行系统同步字检测相关运算；对去除了直流分量的信号进行自适应滤波；采用码位相关运算判断码位，并根据编码协议从接收到的信号中解调出数据。

Images