CN102354501A - 一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，属于钻井过程中井下数据传输技术领域。为克服现有技术中由于地面噪声、钻柱不连续结构等因素造成的回波噪声使钻柱声信号传输性能降低的问题，本发明利用钻柱上、下行信道的瞬态脉冲响应，采用双声接收器的接收方式，通过改进的回波噪声抑制的建模方法，实现井下回波噪声抑制的目的，从而可改善接收信号的信噪比，提高传输速率，缩短测井周期，节约钻井成本，且具有结构简单的特点。

Description

一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法

技术领域

本发明属于钻井过程中的井下数据传输技术领域，具体涉及一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，用于有效地抑制随钻测井中钻柱信道内下行地面噪声和反射回波对上行有用信号提取的影响。

背景技术

作为代替传统的电缆测井的一种新方法，随钻测井中的井下信息传输技术已成为国际上的研究热点。目前广泛商用的泥浆脉冲技术存在传输速率很低的缺点，一般仅为10bit/s，其信噪比更易受钻井液和现场噪声的严重影响。因此，作为一种可选择的井下高速数据传输方式，声波传输技术近年来在国内外得到了广泛的关注。

声波传输技术是利用声波经过钻柱信道来传输信号，井下数据的测试过程是将测试仪器和声波无线传输发射系统随钻柱或抽油泵下入，测试仪器将各种井下参数转化为数字信息，然后编码、暂存，将代表井下参数的二进制码脉冲送至控制电路，发射声波振动信号，沿钻柱或油管传输到地面，被安装在井口的声波接收换能器接收，经放大后送入存储介质记录，进行数据处理和解释。声波传输方式具有前期投入少，传输速率相对较高的优点。而且，由于声波在钢材料中的传输速率高达5000m/s，石油钻井中井下连续的钢质钻柱更为声波的井下信息高速传输提供了条件。但在实际生产过程中，钻柱结构中的不同测井仪器而引起的声阻抗不均匀也严重影响声传输性能。同时，钻井过程也会产生大量的噪声，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错误，导致钻柱传输信道的性能变差，并最终影响声传输信号的接收效果。钻井过程中产生的噪声主要包括地面噪声和井下噪声，这些噪声会随着钻井参数的变化而变化，且噪声的高低将影响信噪比，并导致信道的传输能力变化。工程研究发现，采用同样功率的发射信号，当噪声较严重时，信噪比将不到1dB，其他情况则大于4dB。因此，为提高信道的传输能力，必须提高信噪比。考虑到钻柱信道大部分由钻杆与管箍周期性组合而成，具有梳状滤波器结构特性，以及钻杆与管箍连接处会产生回波现象，研究钻柱声波传输中的噪声及回波抑制具有重要意义和应用价值。

在随钻声波传输技术的研究方面，1972年Thomas G.Banres和Bill R.Kirkwood提出了通阻带交替梳状滤波器结构特性(参见：Barnes，T.G，and Kirkwood，B.R.Passbands for acoustictransmission in an idealized drill string[J].Journal of the Acoustic Society of America，1972，51：1006～1008.)。从1985年开始，Drumheller和Poletto在声遥测理论方面取得进展，分析了纵波沿理想钻杆的频带特性、通带内的细微频谱结构、钻杆外形尺寸以及管内外等效简化损耗对传输的影响，建立了描述声传输通道的理论模型(参见：Douglas S.Drumheller.Attenuation ofsound waves in drill strings[J].Journal of the Acoustic Society of America，1993，94(4)：2387～2396.)。哈里伯顿(Halliburton)公司于1995年推出了补偿长源距随钻声波测井仪(参见：王华，陶果，张绪健.随钻声波测井研究进展[J].测井技术，2009，33(3)：197-203.)。自2001年以来，BakerHughes、DBI、IntelliServ等公司陆续申请了钻柱声波遥测系统的专利。例如，BakerHughes公司提出了FSK、PSK、MSK的调制方法(参见：Green Robert.Method andapparatus for improved communication in a wellbore utilizing acoustic signals[P].US6450258，2002)，DBI提出了正交频分复用的调制方法(参见：Hill Lawrence.W.Downhole telemetry andcontrol system[P].US7019665，2006)。

针对井下回波和噪声的抑制，1998年Starr Joel.G提出了一种应用互均衡滤波器去除双换能器耦合误差以及地震数据中混响的方法，该方法可以有效避免在质点速度和压力数据相结合过程中导致的自由表面反射噪声(参见：Joel G.Starr.Method of reverberation removalfrom seismic data and removal of dual sensor coupling errors[P].US5825716，1998.)；2000年Flavio Poletto等对声波在钻头与岩石端面的反射情况进行了深入研究，在扁钻头的理想情况下估算了反射系数，并指出应力波的反射系数取决于钻杆与钻孔的横截面积的比值，该方法通过建立应力方程组，得到了反射系数的具体表达式，然而，该推导过程仅在井下噪声较小的情况下进行，具有一定的局限性(参见：Flavio Poletto，Massimo Malusa.Reflecton ofdrill-string extensional waves at the bit-rock contact[J].Acoustical Society of America，2002，111(6)：2561-2565.)；2004年Sinan Sinanovic研究了井下噪声和地面噪声对随钻测井数据传输影响，指出地面噪声对数据传输的影响较大，提出了应用双声接收器法抑制地面噪声的模型，指出利用两个声接收器可实现地面噪声的抑制，并进行了仿真验证(参见：Sinan Sinanovic，Don H.Johnson.Direction propagation cancellation for acoustic communication along the drillstring[C].ICASSP，2006.)，但Sinan Sinanovic提出的模型主要考虑钻柱端面反射的简单情况。实际上，钻柱主要具有由多节钻杆和管箍组成的周期性结构，这种复杂的周期性结构对声信号的传输性能产生较大影响。特别是，由于钻杆和管箍的声阻抗差异明显，在它们的相连处会产生较强的反射回波，且多重反射回波相互叠加，干扰有用信号的接收。

发明内容

本发明的目的是为克服现阶段上述已有技术存在的问题，提供了一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法。该方法利用两个声接收器、相应滤波器，通过改进的回波噪声抑制的建模方法，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。该方法有助于井下声传输信号的有效提取，提高信噪比。

本发明提出的技术方案为：一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下：

步骤a1、随钻声波传输系统中噪声来源的分析

随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生，以n_d表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以n_s表示；

步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算

由信道容量的定义可知，上行通道的容量为：

$C_{\mathrm{UL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^{-2}})\mathrm{df\; bit}/s---\left(1\right)$

式中，B为信道通带带宽，P_s(f)、

和

分别为激励信号、钻头噪声、地面噪声的功率谱密度；

由于系统信号在传输过程中本身的衰减很大，因此，|H(f)|＜＜1，以及|H(f)|^-2＞＞1；若和在同一数量数量级，则可忽略不计，即，可认为地面噪声的影响远大于井下噪声，从而可忽略钻头噪声n_d的影响；

相应地，下行通道的容量可为：

$C_{\mathrm{DL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^2})\mathrm{df\; bit}/s---\left(2\right)$

步骤a3、主要噪声的分析

由于双声接收器安装在钻柱顶端，用于接收由钻头处上传的井下数据，因此，主要考虑上行通道，则仅需考虑地面噪声n_s的影响；

步骤2.对回波噪声进行抑制，具体抑制方法为：

步骤b1、在钻杆上布置声接收器

由于声波传播没有方向性，钻柱信道内同时存在上行波和下行波，这样，钻柱顶端处的声接收器不仅接收到上行传输信号，同时还接收到地面噪声以及下行传输的端面反射信号，以及在各个“钻杆-接箍”连接处的反射回波信号；为消除地面噪声和回波，在邻近地面的单节钻杆上以1/4载波波长为间隔布置两个声接收器；

步骤b2、通过检测双声接收器处上、下行信道响应进行回波噪声抑制的建模方法

在忽略外界耦合噪声的影响下，整个传输系统内仅存在地面噪声n_s(t)和激励输入信号x(t)两个未知变量，因此，理论上仅利用两个声接收器可实现地面噪声和端面反射回波的抑制；根据信号与系统的基本理论，信道的输入与输出之间存在卷积关系，其中：

假设当在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个声接收器y₁、y₂处的脉冲响应分别为h₁(t)和h₂(t)，以及当在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，两个声接收器处的脉冲响应分别为h′₁(t)和h′₂(t)，则考虑地面下行噪声n_s(t)条件下，当钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的时域信号可表示为：

y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h′₁(t)                            (3)

y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h′₂(t)                            (4)

式中，h₁(t)、h₂(t)可表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h′₁(t)、h′₂(t)可表示为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应；

对式(3)、(4)进行傅里叶变换，可得其频域表达式为：

$Y_1\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_1}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(5\right)$

$Y_2\left(f\right)=H_{X_2}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_2}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(6\right)$

联立式(5)、(6)，可得如下的矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}{H}_{X_1}& H_{N_1}\\ H_{X_2}& H_{N_2}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}X\\ N_s\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过运算可消除地面噪声信号N_s(f)，则

$X\left(f\right)=\frac{H_{N_2}\left(f\right)Y_1\left(f\right)-H_{N_1}\left(f\right)Y_2\left(f\right)}{D\left(f\right)}---\left(8\right)$

式(8)中，

分别为h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)的频域形式，且 $D\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)H_{N_2}\left(f\right)-H_{X_2}\left(f\right)H_{N_1}\left(f\right);$

对式(8)进行傅里叶逆变换，可反求出施加于钻柱底端的原始激励信号x′(t)，即

根据声波在钻柱中的传播原理，基于钻柱内一维纵波的波动方程，利用有限差分算法将钻柱信道细分为若干质量微元，则波动方程可改写为：

$u_n^{j+1}+u_n^{j-1}=\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n+1}^j+\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n-1}^j---\left(10\right)$

式中，

表示j时刻x_n处质点位移，Δr_n表示x_n处微元质量；因此，利用该式(10)可得到钻柱信道中不同位置处质量微元的振动情况，从而获得不同激励条件下钻柱的瞬态振动规律，实现声信号在钻柱信道内的传输过程；在钻柱底端施加单位脉冲激励，利用式(10)可仿真得到钻柱上行通道的瞬态冲击响应h₁(t)和h₂(t)，再通过傅立叶变换，可求的h₁(t)、h₂(t)的频域表达式

同理，在钻柱顶端施加单位脉冲激励，可仿真得到钻柱下行通道的瞬态冲击响应h′₁(t)和h′₂(t)，以及对应的频域表达式

步骤b3、求解施加于钻柱底端的原始激励信号

通过检测两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的信号，利用式(9)可求解施加于钻柱底端的原始激励信号；从而该用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法通过改进的回波噪声抑制分析模型，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。

进一步的，将经过双声接收器检测处理后的时域信号x′(t)送入带通滤波器，以实现较好的接收效果。

进一步的，所述声接收器为压电式换能器，且两个声接收器之间的安装距离相距为1/4的载波波长。

进一步的，所述压电式换能器为压电式加速度计或磁致伸缩式换能器。

进一步的，所述带通滤波器可选取100阶FIR数字带通滤波器，窗函数取Hamming窗，通带范围取为1400Hz～1620Hz。

进一步的，所述的建模方法可利用DSP或嵌入式计算机实现。

本发明的技术方案的主要原理为：

本发明利用一种改进的回波噪声抑制的建模方法，即，利用了双声接收器在接收信号时存在时延的特点，通过时域卷积与傅里叶变换的运算，并结合适当滤波处理可消除下行的地面噪声和反射回波，提取有用的井下激励信号。所述建模算法可利用DSP(Digital SignalProcessor)或嵌入式计算机实现。

本发明和已有技术相比具体如下的特点及技术效果：

1、本发明仅在接收端使用两个声接收器以实现井下回波噪声的抑制，具有结构简单的特点。

2、本发明通过结合适当的滤波器设计，可实现地面噪声的有效消除，大幅减弱地面下行噪声对接收信号的干扰影响。

3、本发明的双声接收器接收模式可克服周期性信道结构中的多重反射声波，实现对与有用信号传播方向一致的单向回波进行抑制。

4、本发明中的双声接收器回波噪声抑制算法可利用DSP或嵌入式计算机实现，具有实现方便的特点，且便于后续技术升级。

5、本发明可用于随钻测井或生产测井，实现对基于钻柱或油管为信道的声信号传输性能的优化，通过改善接收信号的信噪比，提高传输速率，从而缩短测井周期，节约钻井成本。

附图说明

图1为本发明的双声接收器结构的原理示意图。

图2为本发明的原始激励信号的求解流程图。

图3为正弦信号激励下单个声接收器y₁处未经滤波器处理的时、频域仿真信号波形图，其中，图3(a)为接收信号的时域波形；图3(b)为接收信号的频域波形。

图4为正弦信号激励下双声接收器检测的时域信号仿真图，其中，图4(a)为滤波处理前的双声接收器检测信号的时域波形；图4(b)为滤波处理前的双声接收器检测信号的频域波形；图4(c)为滤波处理后的双声接收器检测信号的时域波形；图4(d)为滤波处理后的双声接收器检测信号的频域波形。

图5为在OOK调制数字信号激励下单、双声接收器检测的时域仿真信号波形图，其中，图5(a)为OOK调制数字信号波形；图5(b)为滤波处理后的单个声接收器检测信号的时域波形；图5(c)为滤波处理后的双声接收器检测信号的时域波形(局部放大图)；图5(d)为单、双声接收器模式下解调数字信号与激励数字信号的对比。

图6为在FSK调制数字信号激励下单、双声接收器检测的时域仿真信号波形图，其中，图6(a)为FSK调制数字信号波形；图6(b)为滤波处理后的单个声接收器检测信号的时域波形；图6(c)为滤波处理后的双声接收器检测信号的时域波形(局部放大图)；图6(d)为单、双声接收器模式下解调数字信号与激励数字信号的对比。

图7为在PSK调制数字信号激励下单、双声接收器检测的时域仿真信号波形图，其中，图7(a)为PSK调制数字信号波形；图7(b)为滤波处理后的单个声接收器检测信号的时域波形；图7(c)为滤波处理后的双声接收器检测信号的时域波形(局部放大图)；图7(d)为单、双声接收器模式下解调数字信号与激励数字信号的对比。

具体实施方式

现结合各附图及实施例进行详细说明如下：本发明通过建立了一种用于钻柱声传输的回波噪声抑制模型，实现了一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下：

步骤a1、随钻声波传输系统中噪声来源的分析

随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生，以n_d表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以n_s表示。

步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算

由信道容量的定义可知，上行通道的容量为：

$C_{\mathrm{UL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^{-2}})\mathrm{df\; bit}/s---\left(1\right)$

式中，B为信道通带带宽，P_s(f)、

和

分别为激励信号、钻头噪声、地面噪声的功率谱密度。

由于系统信号在传输过程中本身的衰减很大，因此，|H(f)|＜＜1，以及|H(f)|^-2＞＞1。若

和

在同一数量数量级，则

可忽略不计，即，可认为地面噪声的影响远大于井下噪声，从而可忽略钻头噪声n_d的影响。

相应地，下行通道的容量可为：

$C_{\mathrm{DL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^2})\mathrm{df\; bit}/s---\left(2\right)$

步骤a3、主要噪声的分析

由于双声接收器安装在钻柱顶端，用于接收由钻头处上传的井下数据，因此，主要考虑上行通道，则仅需考虑地面噪声n_s的影响。

步骤2.对回波噪声进行抑制，具体抑制方法为：

步骤b1、在钻杆上布置声接收器

由于声波传播没有方向性，钻柱信道内同时存在上行波和下行波，这样，钻柱顶端处的声接收器不仅接收到上行传输信号，同时还接收到地面噪声以及下行传输的端面反射信号，以及在各个“钻杆-接箍”连接处的反射回波信号。为消除地面噪声和回波，在邻近地面的单节钻杆上以1/4载波波长为间隔布置两个声接收器。

步骤b2、通过检测双声接收器处上、下行信道响应进行回波噪声抑制的建模方法

在忽略外界耦合噪声的影响下，整个传输系统内仅存在地面噪声n_s(t)和激励输入信号x(t)两个未知变量，因此，理论上仅利用两个声接收器可实现地面噪声和端面反射回波的抑制。根据信号与系统的基本理论，信道的输入与输出之间存在卷积关系。

如图1所示，假设当在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个声接收器y₁、y₂处的脉冲响应分别为h₁(t)和h₂(t)，以及当在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，两个声接收器处的脉冲响应分别为h′₁(t)和h′₂(t)，则考虑地面下行噪声n_s(t)条件下，当在钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的时域信号可表示为：

y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h′₁(t)                            (3)

y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h′₂(t)                            (4)

式中，h₁(t)、h₂(t)可表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h′₁(t)、h′₂(t)可表示为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应。

对式(3)、(4)进行傅里叶变换，可得其频域表达式为：

$Y_1\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_1}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(5\right)$

$Y_2\left(f\right)=H_{X_2}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_2}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(6\right)$

联立式(5)、(6)，可得如下的矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}{H}_{X_1}& H_{N_1}\\ H_{X_2}& H_{N_2}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}X\\ N_s\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过运算可消除地面噪声信号N_s(f)，则

$X\left(f\right)=\frac{H_{N_2}\left(f\right)Y_1\left(f\right)-H_{N_1}\left(f\right)Y_2\left(f\right)}{D\left(f\right)}---\left(8\right)$

式(8)中，

分别为h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)的频域形式，且 $D\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)H_{N_2}\left(f\right)-H_{X_2}\left(f\right)H_{N_1}\left(f\right);$

对式(8)进行傅里叶逆变换，可反求出施加于钻柱底端的原始激励信号x′(t)，即

根据声波在钻柱中的传播原理，在下文阐述的仿真过程中，基于钻柱内一维纵波的波动方程，利用有限差分算法将钻柱信道细分为若干质量微元，则波动方程可改写为：

$u_n^{j+1}+u_n^{j-1}=\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n+1}^j+\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n-1}^j---\left(10\right)$

式中，

表示j时刻x_n处质点位移，Δr_n表示x_n处微元质量。因此，利用该式(10)可得到钻柱信道中不同位置处质量微元的振动情况，从而获得不同激励条件下钻柱的瞬态振动规律，实现声信号在钻柱信道内的传输过程。例如，在钻柱底端施加单位脉冲激励，利用式(10)可仿真得到钻柱上行通道的瞬态冲击响应h₁(t)和h₂(t)，再通过傅立叶变换，可求的h₁(t)、h₂(t)的频域表达式

同理，在钻柱顶端施加单位脉冲激励，可仿真得到钻柱下行通道的瞬态冲击响应h′₁(t)和h′₂(t)，以及对应的频域表达式

步骤b3、求解施加于钻柱底端的原始激励信号

这样，通过检测两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的信号，利用式(9)可求解施加于钻柱底端的原始激励信号。

在实际工作中，对于结构固定的钻柱，其单位脉冲响应h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)可通过发送脉冲信号扫频获知。但由于钻柱中两个声接收器的位置不同，导致接收到的噪声信号时长也不完全相同，经傅里叶变换后，两者不存在简单的相位差关系，这会导致部分噪声无法彻底消除。针对上述问题，将经过双声接收器检测处理后的时域信号送入带通滤波器，以实现较好的接收效果。在本发明下文阐述的以1520Hz单位正弦脉冲为激励信号进行数据传输的仿真分析中，所设计的数字带通滤波器的通带范围为1400Hz～1620Hz，阶数为100阶，所用窗函数为Hamming窗。

综上所述，本发明中提出的原始激励信号的求解流程如图2所示。

通过回波噪声抑制的仿真分析对本发明的技术效果进行验证如下：

为验证本发明的回波噪声抑制性能及对钻柱声传输的影响，根据图1所示的双声接收器结构原理图，以“4节钻杆-3节管箍”组成的钻柱信道结构为研究对象(结构参数如表1所示)；根据钻柱信道响应的周期性梳状滤波器频谱特性，取通带范围内的1520Hz为载波频率；分别利用单位正弦脉冲，以及经ASK(Amplitude Shift Keying)、FSK(Frequency ShiftKeying)、PSK(Phase Shift Keying)三种基本调制方式处理后的单位调制数字信号作为激励信号，施加于钻柱左端(信号发射端)，以模拟井下信号源；两个声接收器y₁、y₂被布置在钻柱右端的第一节钻杆上，声接收器y₂距右端面0.95m，声接收器y₁与声接收器y₂间距0.95m(其中，0.95m约为1/4的载波波长)；在钻柱右端(信号接收端)施加高斯噪声信号，信噪比取4dB，以模拟地面噪声。依据实际钻柱工作状况，确定左、右边界条件。基于有限差分算法对钻柱信道声传输信号进行瞬态仿真分析，验证单、双声接收器工作模式下的信号接收性能。

表1钻柱信道结构的仿真参数

类型	横截面积/m2	长度/m	密度/kg·m-3	弹性模量/Pa
					钻杆	0.00399	8.55	7.87×103	2.08×1011
接箍	0.0162	0.475	7.87×103	2.08×1011

在下文阐述的实施例中，取有限差分步长dt为9.26×10^-6s(其中，dt＝dx/c，dx为有限差分法中的质量微元长度，c为声波在钢材中的传播速度，取为5130m/s)；在傅里叶计算中采样角频率为ω_s＝2π/dt，约为6.79×10⁵rad/s；所用的滤波器为阶数为100的带通数字滤波器，其通带范围为1400Hz～1620Hz，所用窗函数为Hamming窗。

单位正弦脉冲信号传输：

在钻柱左端连续施加长度为15个载波频率为1520Hz的单位正弦脉冲信号。左端(发射端)为自由端，右端(接收端)为固定端。激励信号沿“4节钻杆-3节管箍”构成的钻柱信道进行传输，两个声接收器y₁和y₂对传输的信号进行检测，并通过本发明提出的回波噪声抑制模型实现双声接收器的信号提取。为比较单、双声接收器的信号检测性能，以声接收器y₁为例，图4(a)和4(b)分别示出了其所在位置处未经滤波处理的时、频域信号。图5(a)和5(b)分别示出了经双声接收器处理后且滤波处理前的时、频域接收信号波形，图5(c)和5(d)则分别示出了经双声接收器与带通滤波处理后的时、频域接收信号波形。

比较图4和图5可知，经双声接收器处理的时域接收信号的幅值介于两个单声接收器之间，但频域特性均优于两个单声接收器，其检波效果更加明显，通带内较光滑，且旁瓣内谐波尖峰得到抑制。这表明了在井下强背景噪声干扰情况下双声接收器的接收性能要优于单个声接收器。比较图5(a)和5(c)可知，在图5(a)中，虽仅经双声接收器信号检测后可获得具有大致正弦外形的接收信号，但由于高频噪音未完全滤除，因此，时域信号中尚存在一定的毛刺和回波响应；在图5(c)中，双声接收器检测信号经适当滤波处理后，可实现原始激励信号的有效提取。

基本调制数字信号传输：

针对ASK、FSK、PSK三种基本调制方式，从井下数字通信的角度，验证本发明的双声接收器抑制方法。在钻柱左端发射50个随机码(用于模拟上行的数据信号)，码长240*dt，码速约450bit/s；载波频率为1520Hz(特别地，对于FSK调制信号时，载波频率分别取1520Hz和3040Hz)，在钻柱右端发射噪声信号(用于模拟下行的地面噪声)，发射信噪比取SNR＝4dB。在本发明中选用了ASK调制的一种特殊形式OOK(On-Off Keying)调制进行仿真分析，且OOK、FSK选取为非相干解调，PSK选取为相干解调。其余的仿真边界条件与单位正弦脉冲信号传输情况相同。

针对OOK、FSK、PSK三种基本调制方式，在单、双声接收器工作模式下的信号检测波形分别如图5～图7所示。由图可知，对于上述不同的调制方式，在发射50个随机码的情况下，由于信道内存在有多重回波噪声，即使应用与双声接收器相同配置的滤波器装置，对单个声接收器检测的接收信号进行数据解调后，仍与原始数字信号存在很大偏差；而双声接收器法则可较好的解调恢复出原始数据码信息。通过将解调恢复的数据与原始发射数据进行比对，在三种基本调制方式下，经多次仿真计算取平均值，单个声接收器信号检测的误码率分别为48％、50.2％、48.2％，双声接收器信号检测的误码率分别为4.4％、2.8％、0.8％。通过降低信道仿真所设定的信号源码速，可降低误码率。通过上述误码率的比对分析，本发明提出的基于双声接收器的改进建模方法在回波噪声抑制与信号检测方面明显优于传统的单个声接收器信号检测，且相干PSK在三种调制方式中误码率最低。本发明所述的方法不仅可用于随钻测井的钻柱声传输技术，还可对生产测井中以油管为信道的井下声信号传输性能的优化，通过改善接收信号的信噪比，提高传输速率。

本实施例的主要技术特点：

1、本实施例的双声接收器布置在钻柱上距地面最近的一节钻杆，其中一个声接收器距钻柱顶端为1/4载波波长，且两个双声接收器的间距为1/4载波波长；

2、本实施例的双声接收器可为压电式换能器或磁致伸缩式换能器；

3、本实施例的双声接收器输出信号送入带通滤波器进行后续噪声抑制处理，所述带通滤波器可为100阶FIR数字带通滤波器，窗函数取Hamming窗，通带范围取为1400Hz～1620Hz；

4、本实施例的双声接收器回波噪声抑制建模算法可通过DSP或嵌入式计算机实现，具有技术实现方便与结构简单的特点；

5、本实施例的方法不仅可用于随钻测井的钻柱声传输技术，还可对生产测井中以油管为信道的井下声信号传输性能的优化，通过改善接收信号的信噪比，提高传输速率，从而缩短测井周期，节约钻井成本。

Claims (6)

1.一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下：

步骤a1、随钻声波传输系统中噪声来源的分析

随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生，以n_d表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以n_s表示；

步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算

由信道容量的定义可知，上行通道的容量为：

$C_{\mathrm{UL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^{-2}})\mathrm{df\; bit}/s---\left(1\right)$

式中，B为信道通带带宽，P_s(f)、

和分别为激励信号、钻头噪声、地面噪声的功率谱密度；

由于系统信号在传输过程中本身的衰减很大，因此，|H(f)|＜＜1，以及|H(f)|^-2＞＞1；若

和

在同一数量数量级，则

可忽略不计，即，可认为地面噪声的影响远大于井下噪声，从而可忽略钻头噪声n_d的影响；

相应地，下行通道的容量可为：

$C_{\mathrm{DL}}={\∫}_B{\log }_2(1+\frac{P_s\left(f\right)}{P_{n_b}\left(f\right)+P_{n_s}\left(f\right){\left|H\left(f\right)\right|}^2})\mathrm{df\; bit}/s---\left(2\right)$

步骤a3、主要噪声的分析

由于双声接收器安装在钻柱顶端，用于接收由钻头处上传的井下数据，因此，主要考虑上行通道，则仅需考虑地面噪声n_s的影响；

步骤2.对回波噪声进行抑制，具体抑制方法为：

步骤b1、在钻杆上布置声接收器

由于声波传播没有方向性，钻柱信道内同时存在上行波和下行波，这样，钻柱顶端处的声接收器不仅接收到上行传输信号，同时还接收到地面噪声以及下行传输的端面反射信号，以及在各个“钻杆-接箍”连接处的反射回波信号；为消除地面噪声和回波，在邻近地面的单节钻杆上以1/4载波波长为间隔布置两个声接收器；

步骤b2、通过检测双声接收器处上、下行信道响应进行回波噪声抑制的建模方法

在忽略外界耦合噪声的影响下，整个传输系统内仅存在地面噪声n_s(t)和激励输入信号x(t)两个未知变量，因此，理论上仅利用两个声接收器可实现地面噪声和端面反射回波的抑制；根据信号与系统的基本理论，信道的输入与输出之间存在卷积关系，其中：

假设当在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个声接收器y₁、y₂处的脉冲响应分别为h₁(t)和h₂(t)，以及当在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，两个声接收器处的脉冲响应分别为h′₁(t)和h′₂(t)，则考虑地面下行噪声n_s(t)条件下，当钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的时域信号可表示为：

y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h′₁(t)                                (3)

y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h′₂(t)                                (4)

式中，h₁(t)、h₂(t)可表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h′₁(t)、h′₂(t)可表示为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应；

对式(3)、(4)进行傅里叶变换，可得其频域表达式为：

$Y_1\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_1}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(5\right)$

$Y_2\left(f\right)=H_{X_2}\left(f\right)X\left(f\right)+H_{N_2}\left(f\right)N_s\left(f\right)---\left(6\right)$

联立式(5)、(6)，可得如下的矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}{H}_{X1}& H_{N1}\\ H_{X2}& H_{N2}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}X\\ N_s\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过运算可消除地面噪声信号N_s(f)，则

$X\left(f\right)=\frac{H_{N_2}\left(f\right)Y_1\left(f\right)-H_{N_1}\left(f\right)Y_2\left(f\right)}{D\left(f\right)}---\left(8\right)$

式(8)中，

分别为h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)的频域形式，且 $D\left(f\right)=H_{X_1}\left(f\right)H_{N_2}\left(f\right)-H_{X_2}\left(f\right)H_{N_1}\left(f\right);$

对式(8)进行傅里叶逆变换，可反求出施加于钻柱底端的原始激励信号x′(t)，即

根据声波在钻柱中的传播原理，基于钻柱内一维纵波的波动方程，利用有限差分算法将钻柱信道细分为若干质量微元，则波动方程可改写为：

$u_n^{j+1}+u_n^{j-1}=\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n+1}^j+\frac{{2\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{{\mathrm{\Δr}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Δr}}_{n-1/2}}{u}_{n-1}^j---\left(10\right)$

式中，

表示j时刻x_n处质点位移，Δr_n表示x_n处微元质量；因此，利用该式(10)可得到钻柱信道中不同位置处质量微元的振动情况，从而获得不同激励条件下钻柱的瞬态振动规律，实现声信号在钻柱信道内的传输过程；在钻柱底端施加单位脉冲激励，利用式(10)可仿真得到钻柱上行通道的瞬态冲击响应h₁(t)和h₂(t)，再通过傅立叶变换，可求的h₁(t)、h₂(t)的频域表达式

同理，在钻柱顶端施加单位脉冲激励，可仿真得到钻柱下行通道的瞬态冲击响应h′₁(t)和h′₂(t)，以及对应的频域表达式

步骤b3、求解施加于钻柱底端的原始激励信号

通过检测两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的信号，利用式(9)可求解施加于钻柱底端的原始激励信号；从而该用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法通过改进的回波噪声抑制分析模型，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。

2.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，将经过双声接收器检测处理后的时域信号x′(t)送入带通滤波器，以实现较好的接收效果。

3.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述声接收器为压电式换能器，且两个声接收器之间的安装距离相距为1/4的载波波长。

4.如权利要求3所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述压电式换能器为压电式加速度计或磁致伸缩式换能器。

5.如权利要求2所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述带通滤波器可选取100阶FIR数字带通滤波器，窗函数取Hamming窗，通带范围取为1400Hz～1620Hz。

6.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述的建模方法可利用DSP或嵌入式计算机实现。

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