CN101799557B - 能加载伪随机编码的可控信号接收仪 - Google Patents

Abstract

一种能加载伪随机编码的可控信号接收仪，用于油田勘探开发过程中的电信号检测和接收，包括依次连接的信号采集和放大单元、滤波单元以及A/D转换单元，DSP处理单元、通讯单元、以及中央控制器单元，中央控制器单元产生伪随机编码并转化为电压变化信号，再通过通讯单元传输给DSP处理单元，作为特征信号保存；另一方面，DSP处理单元还接收A/D转换单元处理后的现场信号，并与特征信号进行对比处理，处理的结果是只保留具有伪随机编码特征的现场信号。因本发明接收仪只接收具有与发射信号相同特征的信号，从根本上解决了仪器分辨率和精度问题，在地面测试人工电场时，能够排除干扰背景，可清晰地分辨深层低阻异常体。

Description

能加载伪随机编码的可控信号接收仪

技术领域

本发明涉及用于油田勘探开发过程中的电信号检测和接收的电法接收装置，尤其是一种能加载伪随机编码的可控信号接收仪，主要应用于油田开发中的压裂、注水、调剖和随钻过程监测。

背景技术

油气开采生产井压裂作业后基本上都需要裂缝方位监测，深层气井也需要进行压裂裂缝监测。目前，应用于油田勘探开发的电法接收仪在地面测试人工电位场时，采用超低频方波/直流发射与对应接收，无法完全剔除相同频率的干扰信号，对信号的处理方式是：先接收全部相同频率信号，再进行干扰信号消除，因此对信噪要求较高，背景干扰信号较大或信号强度较弱，均会对电位异常分辨能力产生较大影响，在采集过程中无法排除干扰信号的影响。

所以急需一种具有微伏级测量精度的、抗干扰的接收仪。

发明内容

本发明的目的是提供一种高测量精度的、抗干扰的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其中的可控信号加载有伪随机编码，在油田勘探开发中当井内深层发射，在地面测试人工电场时，能够排除干扰背景，可清晰地分辨深层低阻异常体。

实现本发明目的的技术方案是：

一种能加载伪随机编码的可控信号接收仪，用于油田勘探开发过程中的电信号检测和接收，至少包括依次连接的信号采集和放大单元、滤波单元以及A/D转换单元，其中所述信号采集和放大单元将采集到的现场信号放大后传输给所述滤波单元和所述A/D转换单元进行处理；所述可控信号接收仪还包括：DSP处理单元、通讯单元以及中央控制器单元，所述通讯单元连接于所述A/D转换单元和所述中央控制器单元之间；其中所述中央控制器单元产生伪随机编码并转化为电压变化信号，再通过所述通讯单元传输给所述DSP处理单元，作为特征信号保存；另一方面，DSP处理单元还接收所述A/D转换单元处理后的现场信号，并与所述特征信号进行对比处理，处理的结果是只保留具有所述伪随机编码特征的现场信号。

所述中央控制器单元进一步包括一个中央控制器以及一个伪随机编码发生单元；其中所述伪随机编码发生单元根据测量精度的要求产生不同的伪随机编码并传输至所述中央控制器，而所述中央控制器将所述伪随机编码转化为电压变化的信号。

所述伪随机编码通过选用不同的周期而产生不同的测量精度，伪随机编码位数越长，测量精度越高。

所述伪随机编码发生单元产生的伪随机编码为15位。

所述DSP处理单元包括一个TMS320C2XX型DSP器件以及至少一个存储器。

所述存储器为SRAM高速存储器。

所述中央控制器单元还包括电平转换电路，连接于所述中央控制器和所述伪随机编码发生单元之间；其中所述伪随机编码发生单元发出的所述伪随机编码由所述电平转换电路传输至所述中央控制器，由所述中央控制器处理转化为电压变化信号，再由所述通讯电路通过一个通讯电路发送至所述通讯单元。

所述中央控制器为单片机C8051F236，所述单片机转化生成的电压变化信号为±5V电压变化信号；所述通讯电路采用MAX485电路，所述电平转换电路采用MAX232电路。

所述MAX232电路和所述MAX485电路通过串行口进行驱动和通信。

所述伪随机编码发生单元为一台计算机，所述计算机还具有实时打印和显示监测数据的功能。

所述信号采集和放大单元包括多组测点，每组测点分别包括N、COM、M端子，所述多个N、COM、M端子以被测井为圆心分内、中、外三圈均匀分布以测试N-COM、M-COM之间的电压。

所述信号采集和放大单元包括24组测点，所述内、中、外三圈与被测井的距离分别为70m、100m、150m，每组测点的采样频率为1MHz，采样方式为中断方式，采样通道数为2路。

本发明具有积极的效果：

本发明的可控信号接收仪把伪随机编码控制技术应用到大地人工电位场测试中，由大功率发射仪通过油/水井或地面电极向地层供入伪随机编码控制的方波电流，地面电位通过本发明的可控信号接收仪进行同步测量，接收仪只接收具有与发射信号相同特征的信号，这一特征信号在干扰信号中不会出现，从而根本上解决了仪器分辨率和精度问题，可完成数据实时采集、实时处理，可随时产生动态图形和数据报表，并可现场查看和打印，极大地方便了现场操作。

附图说明

图1为本发明能加载伪随机编码的可控信号接收仪的功能原理框图；

图2为本发明一个具体实施例的中央控制器单元的功能框图；

图3为图2实施例的中央控制器单元的详细电路图；

图4为本发明一个具体实施例的信号采集和放大单元的详细电路图；

图5为本发明一个具体实施例的滤波电路图；

图6为本发明一个具体实施例的A/D转换电路图；

图7a～图7c为本发明一个具体实施例的DSP处理系统图；

图8为本发明一个具体实施例的通讯单元的详细电路图；

图9为本发明一个具体实施例DDPI-EMR接收仪系统现场连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明能加载伪随机编码的可控信号接收仪进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

首先请参考图1，为本发明的能加载伪随机编码的可控信号接收仪的功能原理框图；本发明的可控信号接收仪包括以下几个主要部分：

1、信号采集和放大单元110

图1中只给出了一组测点的示意图，每组测点分别包括M、N两个输入端子以及一个COM端子，在实际应用中本发明的可控信号接收仪可连接多个测量单元，本说明书的下文中如无特别说明则仅以一个测量单元为例描述本发明的原理和信号处理过程，特此说明。请同时参见图4，图4为本发明一个具体实施例中的信号采集和放大单元的详细电路图，油/水井或地面电极分别从图1中的M、N两个输入端送入测量信号，每个测量单元可以对M、N两个输入端同时或分别进行测量，在一个具体实施例中，M、N两个输入端采用了铜电极，当然，在其他实施例中也可采用其他种类电极，如铝等金属的电极。采集到的信号首先由放大器传输给放大电路做放大处理，包括电荷放大、电压放大以及积分放大，图4中四个芯片组成了这些放大电路。

2、滤波单元120

信号被放大处理后进行滤波，如图5所示，图5是本发明一个具体实施例的滤波电路图，因这些都是本领域熟知的技术，故不再赘述。

3、A/D转换单元130

采用了地震仪系统中普遍采用的浮点增益控制及快速A/D转换技术的结合。浮点增益控制能使各道信号都有足够的增益，使之在进行量化时都能占到模效转换器的高位上；高速率A/D转换能保证高精度条件下有足够快的转换速度。在工作过程中，为保证测量精度，仪器始终处于高速测量状态，以保证获得大量的数据。如图6所示是本发明一个具体实施例中的具有高速A/D转换功能的详细电路图。从现场采集来的信号在A/D转换单元130被转换成为数字信号。

4、DSP处理单元140

为了提高数据的处理速度和精度，本系统的分布式采集单元的核心器件采用的是高速DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，它可以在低频范围对许多复杂的测量分析达到实时处理。如图7a～7c所示为本发明一个具体实施例的DSP处理系统图，DSP器件使用TMS320C2XX型为主体进行相关计算；DSP是通用的可编程的芯片，与单片机比较，它更适合数字处理算法。在一个实施例中，数字信号处理系统140中还包括4M字节(16位)SRAM高速存储器，可以完成数据量很大的实时计算处理。在本发明其他实施例中，还可以包括一个或多个其他式样的存储器。

在监测过程中，从地下发送出的伪随机编码信号由中央控制器单元160经通讯单元150传递给DSP处理单元140后先存储起来，当M、N两个输入端子以及一个COM端子采集的地面现场信号经过信号采集和放大单元110、滤波单元120、A/D转换单元130处理后传输到DSP处理单元140，DSP处理单元140对采集的现场信号和之前中央处理器单元160接收的伪随机编码信号进行相关性计算，计算结果只保留具有与发射信号相同特征的采集信号，因而排除了干扰信号，提高了采集精度。

图7a-7c中的电路图除图7c中那些缓存器是用来存储24个点采集信号外，其他存储器都是传输信号用，为DSP计算服务，图中标号带“A”的是地址线，带“D”的就是数据线。

5、通讯单元150

如图8所示为本发明一个具体实施例的通讯单元的详细电路图，该实施例采用芯片MAX1480B，与中央控制器单元160相连接，负责DSP处理单元140与中央控制器单元160之间的通信。

6、中央控制器单元160

图2所示是本发明一个实施例的中央控制器单元160的功能框图，中央控制器单元160包括一个中央控制器700以及伪随机编码发生单元710，伪随机编码发生单元710的功能是根据测量精度的要求产生不同的伪随机编码并传输至中央控制器700，其中伪随机编码可通过选用不同的周期而产生不同的测量精度，伪随机编码位数越长，测量精度越高。而中央控制器700的功能是对伪随机编码进行电路变换，转化为±5V电压变化的信号，并通过通讯单元150传输给DSP处理单元140，作为特征信号保存等待对比处理。

在一个实施例中，如图3所示，中央控制器700采用了单片机C8051F236，伪随机编码发生单元710由计算机担任，发生了一个15位的伪随机编码序列：{A15}＝1000100110101111000100110101111…，该伪随机编码经过采用MAX232芯片的电平转换电路705和中央控制器700后，处理转化为±5V电压变化的信号，然后通过通讯电路传输到数字处理单元DSP单元140作为特征信号保存等待对比处理；同时接收仪三个端子M、N、Com采集的由发射仪向地层加载的伪随机编码控制的现场信号，经过信号采集和放大单元110、滤波单元120和A/D转换单元130的处理后形成具有加载伪随机编码特征的地层电场信号，这些现场信号也逐个传输给DSP处理单元140，DSP处理单元140把这些现场信号与前面已经保存的特征信号作对比处理，处理的结果是只保留具有伪随机编码特征的地层电场信号，从而避免其他信号的干扰，达到清晰分辨深层低阻异常体的目的。例如，这个例子中就只保留具有{A15}＝1000100110101111000100110101111…特征的地层电场信号，这个信号由于是由自己控制的发射仪向地层发射的信号，因此就可以清晰的指明深层低阻异常体的方位。

在上述图3所示的本发明的一个优选实施例中，中央控制器700还连接了一个MAX485通讯电路，负责发送单片机C8051F236生成的±5V电压变化的信号。MAX485通讯电路通过与本发明的接收仪相配套的可控信号发射仪(已经由本申请人另行提出专利申请)上的同步接口将伪随机编码信号送入发射仪；请同时参见图3及图8，图3是一个实施例中的中央控制器单元160的详细电路图，图8为本发明一个具体实施例的通讯单元的详细电路图，与上述伪随机编码信号送入发射仪的过程同时发生的是，同样的伪随机编码信号通过本发明接收仪的中央控制器单元160的A、B接口输出到通讯单元150，经电路转化后经过接口TXD及RXD连接DSP处理单元140的接口TXD、RXD再传输到DSP处理单元140的TMS320C2XX型DSP器件中(参见图7a右边)，经过上述过程的处理，伪随机编码信号被送入了本接收仪的DSP芯片中。

在一个具体实施例中，MAX485通讯电路采用MAX485接口芯片，它是Maxim公司的一种RS-485芯片，其采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能，MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器，RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

在本发明的一个实施例中，采用串行口取电，可以驱动MAX232与MAX485实现通信。没加负载时电压为5.16V，加负载后降到3V左右。

由上面的详述可知，本实施例的MAX485通讯电路发送的信号就是伪随机编码控制信号，用它来控制发射机发送此类信号，作为发射信号使用，同时这个信号也发送给本发明的接收仪，如前所述，接收仪通过对比处理，在接收端只保留与发射端一致的伪随机编码信号，因而就可以排除外界干扰信号，提高仪器精度。

以下通过一个应用于油田现场的实施例，对本发明接收仪的使用方法做进一步说明。如图9所示为本发明一个具体实施例的DDPI-EMR系统的现场连接示意图，该实施例中，A点表示被测井，B点表示电流返回井，在A、B井之间安装了发射仪，围绕A井环形布置了24个测点，分内、中、外三圈，以A为圆心呈环形均匀分布，这三圈与A点距离分别为70m、100m、150m，当然在其他实施例中也可以采用其他布置方式或其他距离数据。其中内圈为24个N端子、中间实线为COM端子、外圈为24个M端子，称为内、中、外端子，用于测试N-COM、M-COM之间的电压；每组内中外端子组成了一组测点，这24组测点对应于本发明的信号采集和放大单元110。请同时参见图4，图中左边的三个端子“Mpole”、“Npole”、“COMpole”对应于M、N、COM端子。该实施例中，DDPI-EMR型可控信号接收仪的24组测点串接在系统总线上，每组测点分别使用双通道同时测量计算的复用技术以加强系统的可靠性。在该实施例中，采样频率为1MHz；采样方式为中断方式；采样通道数2路。

发射仪发射伪随机编码信号后，本发明的接收仪负责统一接收，每组测点都单独使用一个数据处理系统，即本实施例中有24个图1所示的单元110～单元140，采集完数据后统一传输至中央控制器单元160，由中央控制器单元160负责传输至外部计算机(图中未示)统一处理并打印。在一个优选实施例中，外部计算机和伪随机编码发生单元710可以由同一部计算机担任。

以下是本发明接收仪的一个优选实施例中的技术指标：

◎测量精度：1.5‰(均方根误差)；

◎分辩率：1μV(量程50mV时)；

◎所有测量单元的一致性＜5％，单个测量单元的重复性＜5％；

◎输入阻抗：80MΩ；

◎工作温度范围：-20℃～+70℃；

◎各测量单元温度漂移一致性＜±2μV/20℃，各测量单元零点漂移一致性＜±10μV；

◎各个测点要同时测量，根据储层电阻率数值码宽和周期任选，即采集周期不固定；

◎多组频点扫频，频率在10^-6Hz～10Hz范围内任意组合；

◎时域信号指标：周期100～100,000ms；周期数1～10000；

◎提供上百种伪码信号供现场选择；

◎抗干扰能力强、工作可靠；系统的生产和调试过程简单，可满足以后大规模监测装备需求。

由上面的实例可见，因为发射仪通过油/水井或地面的电极M、N向地层供入伪随机编码控制的方波电流，地面电位通过DDPI-EMR型可控信号接收仪进行同步测量，接收仪器只接收具有与发射信号相同特征的信号，这一特征信号在干扰信号中不会出现，所以本发明从根本上解决了仪器分辨率和精度问题，可完成数据实时采集、实时处理，可随时产生动态图形和数据报表，并可现场查看和打印。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本发明的范围。

Claims (12)

1.一种能加载伪随机编码的可控信号接收仪，用于油田勘探开发过程中的电信号检测和接收，至少包括依次连接的信号采集和放大单元、滤波单元以及A/D转换单元，其中所述信号采集和放大单元将采集到的现场信号放大后传输给所述滤波单元和所述A/D转换单元进行处理；其特征是：

所述可控信号接收仪还包括：DSP处理单元、通讯单元以及中央控制器单元，所述通讯单元连接于所述A/D转换单元和所述中央控制器单元之间；

其中所述中央控制器单元产生伪随机编码并转化为电压变化信号，再通过所述通讯单元传输给所述DSP处理单元，作为特征信号保存；另一方面，DSP处理单元还接收所述A/D转换单元处理后的现场信号，并与所述特征信号进行对比处理，处理的结果是只保留具有所述伪随机编码特征的现场信号。

2.如权利要求1所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述中央控制器单元进一步包括一个中央控制器以及一个伪随机编码发生单元；其中所述伪随机编码发生单元根据测量精度的要求产生不同的伪随机编码并传输至所述中央控制器，而所述中央控制器将所述伪随机编码转化为电压变化的信号。

3.如权利要求2所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述伪随机编码通过选用不同的周期而产生不同的测量精度，伪随机编码位数越长，测量精度越高。

4.如权利要求3所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述伪随机编码发生单元产生的伪随机编码为15位。

5.如权利要求1或2所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述DSP处理单元包括一个TMS320C2XX型DSP器件以及至少一个存储器。

6.如权利要求5所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述存储器为SRAM高速存储器。

7.如权利要求1、2、3或4所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述中央控制器单元还包括电平转换电路，连接于所述中央控制器和所述伪随机编码发生单元之间；其中所述伪随机编码发生单元发出的所述伪随机编码由所述电平转换电路传输至所述中央控制器，由所述中央控制器处理转化为电压变化信号，再由所述通讯电路通过一个通讯电路发送至所述通讯单元。

8.如权利要求7所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述中央控制器为单片机C8051F236，所述单片机转化生成的电压变化信号为±5V电压变化信号；所述通讯电路采用MAX485电路，所述电平转换电路采用MAX232电路。

9.如权利要求8所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述MAX232电路和所述MAX485电路通过串行口进行驱动和通信。

10.如权利要求7所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述伪随机编码发生单元为一台计算机，所述计算机还具有实时打印和显示监测数据的功能。

11.如权利要求1、2、3或4所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是：所述信号采集和放大单元包括多组测点，每组测点分别包括N、COM、M端子，所述多个N、COM、M端子以被测井为圆心分内、中、外三圈均匀分布以测试N-COM、M-COM之间的电压。

12.如权利要求11所述的能加载伪随机编码的可控信号接收仪，其特征是所述信号采集和放大单元包括24组测点，所述内、中、外三圈与被测井的距离分别为70m、100m、150m，每组测点的采样频率为1MHz，采样方式为中断方式，采样通道数为2路。

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