CN101191414B - 一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，包括如下步骤：1)触发包含有N个独立阵元的阵列换能器中的一个阵元发射信号；2)各个阵元独立接收回波信号；3)依次触发阵列换能器中的M个阵元，每次发射后全部阵元均独立作为接收换能器接收信号；4)选取待成像空间中的一个网格点，计算该网格点在各道回波信号中到对应的发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质声速得到该网格点在各道信号上对应的反射波到时；5)将各道信号上对应该网格点到时处波形进行叠加，得到总幅值；6)得到对应待成像空间中各个网格点三维总幅值表，用灰度方式成像显示。本发明能够在探头阵列个数有限的情况下得到具有较高分辨率的图像。

Description

一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法

技术领域

本发明涉及超声成像方法，特别涉及一种适用于井下仪器前方探测成像的超声成像方法。

背景技术

随着经济的发展，石油作为战略能源的地位越显重要。石油测井被誉为“石油工业的眼睛”，是利用声、电、核、力、光等物理场并结合微电子和计算机技术在井下高温、高压、狭窄空间及复杂地质条件等恶劣环境下对地层进行各种测试的高科技工程技术，是人们精确了解地下结构和性质的唯一手段。声波测井是最重要的测井方法之一。

在油田实际生产中，油井的套管由于受力、变形和损坏对油气生产造成的损失越来越大。以中石油所属油田为例，截至到2002年底，中石油13个油气田累计套损井数达到18896口，占总井数的14.9％，近几年更有加大的趋势；大修一口井费用为50万元，2004年套损井大修资金达到12.548亿元。可见，对套损井进行准确检测和预测并采取必要防范和补救措施对于保障油井安全、节约能源、提高油气采收率都具有重要意义。

由于井下检测的恶劣环境，对检测仪器的大小尺寸、耐温耐压性能都有很高要求。早先提出的相控声波检测成像技术为了达到一定的检测精度，必须采用足够多的阵元，为抑制旁瓣影响还要求比较小的阵元间距，这些均因为井下环境的特殊而有所限制。同时，为了定向发射必须设计复杂的延时电路，这些电路必须满足下井对体积、温度和压力的要求，设计复杂，实现成本较高。

因此，鉴于现有技术的不足，技术人员希望有一种能够在井下恶劣环境中使用，设计简单，成本较低，且能准确完成对探测井下仪器前方状况的检测成像的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，包括如下步骤：

1)触发包含有N个独立阵元的阵列换能器中的一个阵元发射信号；N≥2；

2)各个阵元独立接收回波信号，得到N道回波信号并存储；

3)重复步骤1)-步骤2)，依次触发阵列换能器中的M个阵元，N≥M≥1，每次发射后全部阵元均独立作为接收换能器接收信号，共得到M×N道回波信号；

4)选取待成像空间中的一个网格点，计算该网格点在各道回波信号中到对应的发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质声速得到该网格点在各道信号上对应的反射波到时。

5)将各道信号上对应该网格点到时处波形进行叠加，得到总幅值；

6)重复步骤4)-步骤5)，得到对应待成像空间中各个网格点三维总幅值表；

7)将三维总幅值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤3)中，在M个阵元中的第i个阵元发射时，M≥i≥2，对从第1到第i-1个阵元之外的换能器阵列所有阵元作为接收换能器。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤3)中，所述M＝N，当第i个阵元发射时，仅取第i到第N个阵元作为接收换能器。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中还包括将回波信号经过数字化处理后上传至地面系统并存储。

在上述技术方案中，进一步地，在步骤1)中阵列换能器的阵元排列为方阵形式，N≥16。

与现有技术相比，本发明的优点在于。

本发明提供的井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，能够在探头阵列个数有限的情况下得到具有较高分辨率的图像。同时由于不需要利用延时电路控制发射形成定向声束，所有数据处理工作都在地面系统完成，能够降低井下设备的复杂程度，减小井下设备体积，便于井下作业的操作实施和井下设备的维护。利用本发明，可以简化井下设备，充分利用现代计算机高速计算、大容量存储的性能，直观、准确地了解井下状况，实现利用阵元数有限的阵列探头，精确成像显示井下情况的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的超声面阵换能器示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

如图1所示，阵列换能器包括4×4排列的16个阵元，其中圆圈表示阵元位置，圆圈旁边的数字代表阵元编号，该面阵总体尺寸为50mm×50mm，各阵元的中心频率为500kHz。当然，阵列超声换能器也可以采用5×5阵元的结构，或者更多阵元数，并因此能获得更多的信号以提高精度。

此实施例中所应用的前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，包括如下步骤：

1)触发包含有16个独立阵元的阵列换能器中的一个阵元发射信号；

2)16个阵元独立接收回波信号，经过AD转换(即模拟数字转换)做数字化处理后上传至地面系统并存储，如此得到16道回波信号；

3)重复步骤1)到步骤2)，依次触发阵列换能器中的16个阵元，每次发射后全部16个阵元均独立作为接收换能器接收信号，接收到的信号经数字化处理后传输至地面系统并存储，如此总计得到256道回波信号；

4)选取待成像空间中的一个网格点，计算其在某一道回波信号中对应到发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质水的声速(1500米/秒)得到该网格点在这道信号上对应的反射波到时(假定该网格点处存在目标反射物)；

5)重复步骤4)计算该网格点在256道回波信号中对应到发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质声速得到该网格点在256道信号上对应的反射波到时。

6)将256道信号上对应该网格点到时处波形进行叠加，得到总幅值，这里称之为像值，表征该网格点处存在反射目标的可能性大小；

7)重复步骤4)到步骤6)，得到对应待成像空间中各个网格点三维像值表；

8)根据一定的判定规则，将三维像值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

为达到最终成像分辨率为5mm的目标，所用阵列换能器每一个阵元要具有宽带窄脉冲特性，频响曲线中6dB带宽与中心频率的比大于等于50％，发射脉冲小于四个周期；近似球状的前方指向性；同时阵元之间具有良好的一致性，即各个换能器的频响特性、脉冲宽度、指向性等差别不大，相互之间差别小于10％；步骤2)、3)中AD转换时的采样率为5MHz。

下面结合实施例1阐述前视声波动态数字偏移聚焦成像方法的原理：

全部16个阵元都既可作为发射换能器，又作为接收换能器工作。每个阵元依次发射相同的宽带窄脉冲信号，每次发射后全部阵元均独立作为接收换能器接收回波信号，对每次接收到的每道信号均做AD处理，将其转化为数字信号存储并上传给地面计算机。

将换能器阵列下方待成像空间按笛卡尔坐标精细划分成等间隔网格。依次计算待成像空间中每一个网格内存在反射目标的概率(可能性大小)，得到待成像空间中各个网格内存在反射目标的概率分布图，转换成目标图像显示。

计算一个网格内存在反射目标的概率时，依次计算该网格点到每道信号中对应发射、接收换能器的距离和，因传播介质均匀，声速已知，由此可得到该网格点(假定存在目标反射物时)的反射波在每道信号上对应的到时点，将每道信号上对应此网格点反射到时处的信号取包络检波叠加，即得到了此网格点的像值。像值的大小对应说明网格点处存在反射目标可能性的大小，在对空间中各个点依次计算后，得到对应待成像空间中各个网格点三维像值表。将三维像值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

在此成像方法中，计算结果表示了存在反射目标可能性的大小是因为：由于发射和接收都不是定向进行的，在一道信号中待测空间中某网格对应到时处有反射信号时，仅能确定到此对发射、接收换能器距离和为此值的椭球面上存在反射目标，反射目标的方位信息并不能从此道信号中获得，即此网格点处存在反射目标的可能性为b/S(S表示椭球表面积，b表示单位网格面积)。

网格点在每道信号上依次提取对应到时波形时，如有反射信号，表示在对应发射、接收换能器为焦点的椭球表面上可能存在反射目标，具体位置均不能确定，网格点处存在反射目标的可能性是b/S(S表示椭球表面积，b表示单位网格面积)。当网格点上确实存在反射目标时，其在每道信号对应到时上都能提取到反射信号，计算结果为同相叠加(其中M表示采集信号的道数，S_i表示对应椭球面表面积，b表示单位网格面积)。当网格点上并不存在反射目标时，在信号到时处上就不会有反射波形，即使与真实反射目标到某道信号对应发射、接收探头的距离和相同，在对应到时上提取到了反射波形，即具有了存在反射目标可能性的b/S，由于不可能和真实反射目标一样，到每对发射、接收换能器的距离都相等，叠加得到的计算结果值将较小，即小于

依次计算待成像空间中各个网格点存在反射目标的可能性大小，得到对应待成像空间中各个网格点三维像值表，将三维像值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

实施例2

在实施例1中，共采集了256条信号，为了在不减少信息量的同时节约计算、内存、传输资源，本实施例在全部1～16个阵元中，当第i(1≤i≤16)个阵元发射时，仅取第i～16个阵元作为接收换能器，对每次接收到的每道信号均做AD处理，将其转化为数字信号存储或传输。实施例2在不减少信息量的同时，需要采集和存储传输的信号数由256减少至136个，节约了大量资源，提高了处理速度。

实施例2中采用的方法可以将需要采集、存储和传输的信号数由n²减少至(n²+n)/2，此改进基于理论计算的情况，由第i(1≤i≤n)个阵元发射、第j(1≤j≤n)个阵元接收的信号和由j(1≤j≤n)个阵元发射、第i(1≤i≤n)个阵元接收的信号等效相同，因此对这样的相同信号只采集其中之一即可，节约了资源、提高了速度。

在实际存在噪声时，由于噪声通常是随机出现的，可以将等效信号全部采集(如实施例1)，在不增加发射次数和时间的同时，通过对不同时间采集到的两条等效信号的相关处理，可以达到去除噪声的目的，以提高信噪比。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，包括如下步骤：

1)触发包含有N个独立阵元的阵列换能器中的一个阵元发射信号；N≥2；

2)各个阵元独立接收回波信号，得到N道回波信号并存储；

3)重复步骤1)到步骤2)，依次触发阵列换能器中的M个阵元，N≥M≥1，每次发射后全部阵元均独立作为接收换能器接收信号，共得到M×N道回波信号；

4)选取待成像空间中的一个网格点，计算该网格点在各道回波信号中到对应的发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质声速得到该网格点在各道信号上对应的反射波到达时间；

5)将各道信号上对应该网格点在反射波到达时间点上的波形进行叠加，得到总幅值；

6)重复步骤4)到步骤5)，得到对应待成像空间中各个网格点三维总幅值表；

7)将三维总幅值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

2.根据权利要求1所述井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，其特征是，所述步骤2)中还包括将回波信号经过数字化处理后上传至地面系统并存储。

3.根据权利要求1所述井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，其特征是，在步骤1)中阵列换能器的阵元排列为方阵形式，且N≥16。

4.一种井下前视声波动态数字偏移聚焦成像方法，包括如下步骤：

1)触发包含有N个独立阵元的阵列换能器中的一个阵元发射信号；N≥2；

2)各个阵元独立接收回波信号，得到N道回波信号并存储；

3)重复步骤1)到步骤2)，依次触发阵列换能器中的M个阵元，N≥M≥1，在M个阵元中的第i个阵元发射时，M≥i≥2，从第1到第i-1个阵元之外的阵元作为接收换能器；

4)选取待成像空间中的一个网格点，计算该网格点在各道回波信号中到对应的发射、接收阵元的距离和，根据已知的传播介质声速得到该网格点在各道信号上对应的反射波到达时间；

5)将各道信号上对应该网格点在反射波到达时间点上的波形进行叠加，得到总幅值；

6)重复步骤4)到步骤5)，得到对应待成像空间中各个网格点三维总幅值表；

7)将三维总幅值表在三维空间中用灰度方式成像显示，得到阵列下方待成像空间的所有目标物的立体成像显示。

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