CN102182440A - 直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于，在包含有信号发射、信号接收、本振信号与接收信号混频步骤的电磁波电阻率测量过程中，应用直接频率合成法来获得所述本振信号。本发明将直接数字频率合成技术应用于电磁波电阻率测量中，使用直接数字频率合成技术产生高精度、持续而稳定的本振频率信号，使得本振信号与接收信号进行混频后，反演计算出的电磁波电阻率值误差小、分辨率高。将直接频率合成法与电阻率测井系统有机结合，能够在150℃高温下稳定工作。

Description

直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用

技术领域

本发明涉及一种直接数字频率合成技术，具体为直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，应用该技术为随钻测井系统中的电阻率测量系统提供高精度的频率。

背景技术

电磁波电阻率测井仪器通过测量电磁波在地层中传播后幅值与相位变化量的方法来计算电阻率。该仪器分为发射器和接收器两部分。两个接收器分别接收发射器发射出的电磁波，电阻率仪器对接收器接收到的两个电磁波进行幅值和相位比较，用幅值比值及相位差值反演出电阻率值，该电阻率值即为被测地层的电阻率。

如果用来发送接收的电磁波频率低于0.1MHz，会导致钢钻铤中出现电涡流，这些涡流在发射器和接收器之间流动引起发射器和接收器“短路”，如此就测量不到地层的电阻率，此时的测量值是直接通过钢钻铤传播的电磁波相位值。对于频率大于0.1MHz的电磁波，接收器接收到电磁波后，由于频率过高，周期小于10微秒，用如此小周期的信号很难实现相位的比较。因此，对于频率大于0.1MHz的电磁波信号，接收到电磁波后需要进行降频处理，以便比较相位。

基于以上理论依据，我们选用在地层有较好传播(例如2MHz)的电磁波进行发射接收，用另一个具有高精度频率(例如1.998MHz)的接收器的本振信号与接收到的信号进行混频，然后得到一个便于比较(例如2MHz-1.998MHz＝0.002MHz)的正弦信号用以相位比较。为此，必须有一个频率稳定的本振信号来实现两个频率的差频，本振信号越稳定，精度越高，混频后得到的用来比较的信号精度就越高，反演计算出的电阻率也就越精确。以往多采用振荡器电路和锁相环电路来产生固定频率的信号，但这样产生的信号频率精度、稳定性和高温特性很差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是应用直接频率合成法，提供一种频率误差小、分辨率高、能够产生稳定的本振频率信号，用以进行电磁波电阻率的测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：在包含有信号发射、信号接收、本振信号与接收信号混频步骤的电磁波电阻率测量过程中，应用直接频率合成法来获得所述本振信号。

所述直接频率合成法包括：由高稳定度的晶体振荡器产生f_r参考信号，用于保证直接频率合成系统各个部件同步工作；由L位数字输入相位增量字P_FSW的频率寄存器及后接的L位全加器和相位寄存器组成相位累加器；数字输入相位增量字P_FSW进入频率寄存器后，在每个参考时钟周期或者脉冲期间，标识相位增量的数值加到容量正比于输出信号相位的相位累加器中；在同样的时间内，相位累加器的值传递给正弦查表存储器，正弦查表存储器的值然后存储器输出到数/模变换器；数/模变换器产生一系列的以时间脉冲速率抽样的电压阶跃信号，该抽样信号的频率即为直接频率合成法的输出频率f_o。最后经低通滤波器平滑输出，输出信号的频率为：

f_o＝(P_FSW×f_r)÷2^N…(1)

最小相位分辨率为：

ΔK＝360°÷2^M…(2)

其中：P_FSW为相位增量字；f_r为直接频率合成的输入参考时钟频率；N为频率寄存器的位数；M为相位偏移寄存器的位数。

所述全加器和相位寄存器是一般是合并在一起的。

所述信号接收、本振信号与接收信号混频的处理步骤为：

1)信号接收器将接收到的信号进行滤波、放大；

2)中央控制器控制接收器本振信号进行直接频率合成；

3)步骤1)中的滤波、放大信号与步骤2)中的直接频率合成信号进行混频，混频后由中央控制器进行后续处理。

所述信号接收、本振信号与接收信号混频处理步骤涉及的模块包括：滤波模块、放大器模块、混频模块、直接频率合成模块、中央控制电路。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将直接数字频率合成技术应用于电磁波电阻率测量中，使用直接数字频率合成技术产生高精度、持续而稳定的本振频率信号，使得本振信号与接收信号进行混频后，反演计算出的电磁波电阻率值误差小、分辨率高。将直接频率合成法与电阻率测井系统有机结合，能够在150℃高温下稳定工作。

附图说明

图1是频率合成电路系统框图；

图2是直接频率合成法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

众所周知，在电磁波电阻率测量技术中，涉及到信号的发射、信号的接收、本振信号与接收信号的混频等几个步骤。对于电磁波电阻率测量至少需要一个发射器和两个接收器，两个(或多个)接收器的本振信号与发射器发出信号混频，然后对两个(或多个)混频信号进行反演，计算出的电阻率。因此，两个(或多个)接收器必须提供频率稳定的本振信号来实现与发射器发出信号的混频，本振信号越稳定，精度越高，混频后得到的信号精度就越高，反演计算出的电阻率也就越精确。

正因如此，如图1所示，本发明就是在信号接收处理过程中，应用直接频率合成法来获得稳定的本振信号。在信号接收系统中，频率合成部分共划分为前端电路1、混频电路2和中央控制电路3三部分。前端电路1包括滤波模块11和放大器模块12，负责将接收到的发射信号(例如2MHz)进行滤波、放大，并将处理后的信号送给混频电路2，准备进行混频。混频电路2包括混频模块21和直接频率合成模块22。直接频率合成模块22受中央控制电路3的控制，产生稳定高精度的本振信号(例如1.998MHz)。本振信号与前端电路1经滤波放大后的信号(例如2MHz)在混频模块21中进行混频，输出小频率的混频信号(例如1.998MHz-1.998MHz＝2KHz)。混频信号给中央控制电路3进行后续处理。

如图2所示，直接频率合成模块22是本发明的核心，直接频率合成法就是利用这一模块完成，它受中央控制电路3的控制。典型的直接频率合成模块包括如下基本部件：相位累加器23、正弦查表存储器24(即相/幅变换器)、数/模变换器25、低通滤波器26。

直接频率合成法的主要原理如下：图2中f_r是参考信号，由高稳定度的晶体振荡器产生，用于保证直接频率合成系统各个部件同步工作。相位累加器23类似于一个简单的计数器，它是由L位存储数字相位增量字的频率寄存器27及后接的L位全加器和相位寄存器28组成，全加器和相位寄存器常常是合并在一起的。数字输入相位增量字(P_FSW)进入频率寄存器后，在每个参考时钟周期或者脉冲期间，标识相位增量的数值就加到容量正比于输出信号相位的相位累加器中。在同样的时间内，累加器的值传递给正弦查表存储器24，然后存储器输出到数/模变换器25。数/模变换器产生一系列的以时间脉冲速率抽样的电压阶跃信号，该抽样信号的频率即为直接频率合成法的输出频率f_o。最后经低通滤波器26平滑输出。

由此可以得出，直接频率合成法输出信号的频率为：

f_o＝(P_FSW×f_r)÷2^N…(1)

最小相位分辨率为：

ΔK＝360°÷2^M…(2)

式(1)、式(2)中：P_FSW为相位增量字；f_r为直接频率合成的输入参考时钟频率；N为频率寄存器的位数；M为相位偏移寄存器的位数。由公式可见，P_FSW决定着输出信号的频率值；最小频率分辨率则由频率寄存器的位数N决定，N越大，频率分辨率越高；相位分辨率由相位偏移寄存器的位数决定；幅度分辨率由数字-模拟转换器的精度决定。

例如，如果一个直接频率合成专用芯片有32位的频率调整字，那么它所合成的频率在50MHz的参考时钟频率下分辨率达到0.0116Hz。

这里，0≤P_FSW≤2³²。

此时如果想合成一个1.998MHz的频率，设置P_FSW＝171626893，则：

$f_o=\frac{171626893\×50\mathrm{MHz}}{2^{32}}=1.99799999\mathrm{MHz}\≈1.998\mathrm{MHz}$

精度非常高。

由：电磁波发射频率f_A＝2M，本振频率f_O＝1.998M，可知：差频f_OA＝f_A-f_O＝2K。

对于两个接收器而言，两个接收器接收到的信号和本振信号之差分别是一个2K的中频信号，这两个2K信号的相位差和幅值比就是地层电阻率。经过直接频率合成法获得的本振信号更加持续、稳定、精确。本振信号的稳定性和正弦波失真度的大小是直接影响微波电阻率测量结果的重要因素。

在上述的前端电路1中，对接收到的信号进行滤波和放大，也是获得准确电阻率测量结果的另一重要因素。

Claims (8)

1.直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：在包含有信号发射、信号接收、本振信号与接收信号混频步骤的电磁波电阻率测量过程中，应用直接频率合成法来获得所述本振信号。

2.如权利要求1所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述直接频率合成法包括：

由高稳定度的晶体振荡器产生f_r参考信号，用于保证直接频率合成系统各个部件同步工作；

由L位数字输入相位增量字P_FSW的频率寄存器及后接的L位全加器和相位寄存器组成相位累加器；

数字输入相位增量字P_FSW进入频率寄存器后，在每个参考时钟周期或者脉冲期间，标识相位增量的数值加到容量正比于输出信号相位的相位累加器中；

在同样的时间内，相位累加器的值传递给正弦查表存储器，正弦查表存储器的值然后存储器输出到数/模变换器；

数/模变换器产生一系列的以时间脉冲速率抽样的电压阶跃信号，该抽样信号的频率即为直接频率合成法的输出频率f_o。最后经低通滤波器平滑输出，输出信号的频率为：

f_o＝(P_FSW×f_r)÷2^N…(1)

最小相位分辨率为：

ΔK＝360°÷2^M…(2)

其中：P_FSW为相位增量字；f_r为直接频率合成的输入参考时钟频率；N为频率寄存器的位数；M为相位偏移寄存器的位数。

3.如权利要求2所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述全加器和相位寄存器是合并在一起的。

4.如权利要求1所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述信号接收、本振信号与接收信号混频的处理步骤为：

1)信号接收器将接收到的信号进行滤波、放大；

2)中央控制器控制接收器本振信号进行直接频率合成；

3)步骤1)中的滤波、放大信号与步骤2)中的直接频率合成信号进行混频，混频后由中央控制器进行后续处理。

5.如权利要求1所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述信号接收、本振信号与接收信号混频处理步骤涉及的模块包括：滤波模块、放大器模块、混频模块、直接频率合成模块、中央控制电路。

6.如权利要求2或3或4所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述信号接收、本振信号与接收信号混频处理步骤涉及的模块包括：滤波模块、放大器模块、混频模块、直接频率合成模块、中央控制电路。

7.如权利要求1所述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述信号接收、本振信号与接收信号混频处理步骤涉及的模块包括：滤波模块、放大器模块、混频模块、直接频率合成模块、中央控制电路。

8.如权利要求4述的直接频率合成法在电磁波电阻率测量中的应用，其特征在于：所述信号接收、本振信号与接收信号混频处理步骤涉及的模块包括：滤波模块、放大器模块、混频模块、直接频率合成模块、中央控制电路。

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