CN102522999B - 一种三维声波测井数据的实时压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维声波测井数据的实时压缩方法，通过对原始声波数据进行拆分为高n₁位保留数据和低n₂位待压缩数据，对待压缩数据进行分割长度为m的待压缩数据；然后按组进行对待压缩数据进行DCT变换，得到映射数据，对映射数据进行量化，即数值较大的数据保留较多的位数，而数值较小的数据则保留较少的位数，实现数据的实时压缩，对量化后的数据进行编码；最后将保留数据数组中的高n₁位保留数据与编码后的数据进行合并，得到压缩数据，从而减少数据存储量和传输量，提高测井效率。

Description

一种三维声波测井数据的实时压缩方法

技术领域

本发明属于数据压缩技术领域，更为具体地讲，涉及一种三维声波测井数据的实时压缩方法。

背景技术

三维声波测井是在正交偶极声波测井技术基础上发展起来的新一代声波测井技术，其测量原理是利用目前所有的声波，即单极、偶极及斯通利波测量模式对各种频带的波形进行综合测量以获取地层的三维声波特性，即纵波时差、横波及斯通利波在井筒轴向、径向和周向的变化，对地层特性的方位性提供完整的描述。通过该技术可以清晰地对均质地层和非均质地层的各向异性及各向异性形成的各种机理进行分析。

图1是三维声波测井仪器结构示意图。

如图1所示，三维声波测井仪器采用三个单极发射换能器和两个正交的偶极发射换能器发射声波信号，采用十三组接收换能器R1～R13的接收阵列接收声波信号。其中，三个单极发射器分别是上单极发射器、下单极发射器和远单极发射器，上单极发射器和下单极发射器位于接收器阵列两端，而远单极发射器和两个X、Y正交偶极发射器位于仪器下部的较远处。三个单极发射器用于产生不同源距的纵波、横波和斯通利波，X、Y偶极发射器用于产生弯曲波。通过不同组合模式可获得所需要的多种模式波形数据。

图2是三维声波测井仪的信号采集示意图。

如图2所示，采集板在DSP的控制下进行信号采集，每组接收阵列包括8个接收传感器，共需采集104通道的声波信号。

三维声波测井仪器在工作过程中，需要在不同井眼深度进行多次信号采集，每次采集含多个采样周期，各个周期分别采集不同模式的波形数据，每个采样周期，每通道需采样500点数据，因此，测井数据量非常大。

由于三维声波测井数据量非常大，井下数据传输率受限制，给数据的实时存储和传输带来了困难。所以，必须选用合适的数据压缩算法，对测井数据进行实时压缩处理，减少数据量，提高测井效率

发明内容

本发明的目的在于克服三维声波测井数据大，在井下数据传输受限的情况下，实时存储和传输困难的缺陷，提供一种三维声波测井数据的实时压缩方法，以实现井下仪器在大量采集信号的同时对测井数据进行实时、有效地压缩，减少数据存储量和传输量，提高测井效率。

为实现上述发明目的，本发明三维声波测井数据的实时压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、原始声波数据的预处理

对输入缓冲区的n位原始声波数据拆分为高n₁位保留数据和低n₂位待压缩数据，并分别存储到保留数据数组和待压缩数据数组中；

从待压缩数组中读入待压缩数据，将其分割为一组一组的长度为m的待压缩数据；

(2)、待压缩数据的压缩

2.1)、DCT映射变换

按组对待压缩数据进行DCT正变换，将待压缩数据的能量尽量集中在少量的系数上，从而最大限度地去除压缩数据中的相关性，得到映射数据；

2.2)、动态量化和数据编码

采用动态量化的方式对映射数据进行量化，对数值较大的数据保留较多的位数，而对数值较小的数据则保留较少的位数；对量化后的数据进行编码；

(3)、数据合并与存储

将保留数据数组中的高n₁位保留数据与编码后的数据进行合并，得到压缩数据，并存储到输出缓冲区。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明三维声波测井数据的实时压缩方法，通过对原始声波数据进行拆分为高n₁位保留数据和低n₂位待压缩数据，对待压缩数据进行分割长度为m的待压缩数据；然后按组进行对待压缩数据进行DCT变换，得到映射数据，对映射数据进行量化，即数值较大的数据保留较多的位数，而数值较小的数据则保留较少的位数，实现数据的实时压缩，对量化后的数据进行编码；最后将保留数据数组中的高n₁位保留数据与编码后的数据进行合并，得到压缩数据，从而减少数据存储量和传输量，提高测井效率。

附图说明

图1是三维声波测井仪器结构示意图；

图2是三维声波测井仪的信号采集示意图；

图3是三维声波测井数据的实时压缩方法一具体实施方式流程图；

图4是原始声波数据的预处理示意图；

图5是待压缩数据的DCT映射变换、映射数据的量化、编码示意图；

图6是量化数据的编码示意图；

图7是数据合并与存储示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图3是三维声波测井数据的实时压缩方法一具体实施方式流程图。

1、预处理

在本实施例中，如图3所示，首先是对原始声波数据进行预处理，其预处理的过程如图4所示，在本实施例中，采样得到的有效声波数据为24位，为便于处理，在输入缓冲区中保存为32位的原始声波数据，其最高8位全为零。如图4所示，将输入缓冲区中的n＝32位的原始声波数据拆分为高n₁＝16位保留数据和低n₂＝16位待压缩数据，并分别存储到保留数据数组和待压缩数据数组中。在后续操作中，只对所有待压缩数组中的数据，即原始声波数据的低16位数据进行压缩，待压缩完毕后，再将保留数据和压缩数据整理为完整的输出数据。

将待压缩数据的长度进行补零使之成为m＝8的整数倍，然后分割为一组一组的长度为m＝8的待压缩数据。

在实际的应用中，采集数据长度为500，则需要将长度500的待压缩数据进行补零修改为8的整数倍，即504，然后进行分割得到63组待压缩数据。

2、数据压缩

待压缩数据的DCT映射变换、映射数据的量化、编码示意图如图5所示。

2.1、DCT映射变换

读入一组长度为8的待压缩数据，进行一维DCT映射变换，变换公式为：Y＝CX，其中，X＝(x₁，...，x₈)^T是由8个待压缩数据构成的8×1的列向量，

是8×8的变换矩阵，Y是由变换后得到的8个映射数据构成的8×1的列向量。

在上述变换公式中，变换矩阵的定义为：

其中，k是行号，u是列号，k，u＝0，1，2，...，N-1。α(u)定义为：

$\mathrm{\α}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1}{N}},& u=0\\ \sqrt{\frac{2}{N}},& u\≠0\end{array}\right.$

在本实施例中，取N＝8，此时的C称为余弦基本函数。我们可以根据C的定义式计算出这个函数的所有值，得到64个浮点系数，从而实现DCT映射变换。矩阵C是归一化正交矩阵，因此DCT是正交变换，如果输入数据的长度(实际应用中为504)大于N，那么可以将数据以N为单位分段，各段数据都应用C进行变换也是不相关的，也就是说，由余弦基本函数计算得到的64个浮点系数可用于所有输入数据的映射变换，在整个处理过程中无需更换变换矩阵，这一点可以大大加速计算过程。

在本实施例中，采用德州仪器公司(TI)的型号为TMS320F2812的DSP芯片来实现数据压缩。事先将计算好的变换矩阵的64个浮点系数转换为Q15格式(TI公司DSP的定点数据格式)的定点系数，保存在TMS320F2812的系数缓冲区中，这样可以避免浮点运算，而且能通过查表的方式简化操作，节约处理时间。此外，在进行DCT映射变换时，使用汇编语言进行程序设计，以乘累加指令MAC为核心，采用循环寻址方式访问输入缓冲区、系数缓冲区和输出缓冲区，这样可以在一个指令周期内完成一次乘加运算，充分发挥DSP的性能，快速实现向量点积运算，完成DCT映射变换。同时，在具体实施过程中，将实现DCT映射变换的代码搬移到TMS320F2812的内部RAM中运行，提高程序运行速度，满足三维声波测井的实时数据处理要求。

2.2、动态量化和数据编码

DCT映射变换本身不能实现数据压缩，数据压缩是由量化和编码实现的。为了说明量化和编码的实现过程，假设有如下的一组经DCT映射变换后得到的映射数据，如表1所示。映射数据用16位的无符号数表示，其符号位单独保存在符号位数组中。从表中可以看到，该组映射数据的上半部分，即前四个映射数据的数值较大，而下半部分，即后四个映射数据数值较小。

在本实施例中，采用动态量化的方式进行对映射数据进行量化：每次量化前检测每组映射数据的最大值，根据该数值确定该组数据的有效位，按保留位数从最高有效位开始保留，得到量化数据，并记录下量化数据最低位在映射数据中的位数，即量化位数，这样便于解压缩数据时，数据的恢复。

检测每组向量的最大值，根据最大值的有效位数确定量化的程度，有效位数越多则量化程度越低，反之量化程度越高。这样能最大程度地保存原始数据的信息。

由此，每组映射数据的量化位数随该组映射数据的有效位的位数动态变化。为了最大程度地保留映射数据的信息，减小压缩失真度，在本实施例中，量化时，每组映射数据的前四个映射数据保留有效位的最高7位，后四个映射数据保留有效位的最高6位，对于舍弃部分的按照过半进位的原则进位。从表中可以看出，量化后的数据总共只有“4×7+4×6”位，数据量为原来映射数据的40.6％。

表1

为了恢复原始数据，需要将这些量化后的数据进行编码。编码规则为：第一个编码字节(8位)的低4位存放量化位数，即后四个映射数据的量化位数。在本实施例中，如表1、图6所示，该组映射数据中最大数据(0x194A)的有效位数为13(前3位均为0，是无效数据)，对于前四个映射数据，保留前7位而舍弃后6位，对于后四个映射数据，保留前6位而舍弃后7位，所以该组数据的量化位数为7(0111B)。第一个编码字节的第5位保存第一个映射数据的符号位(0)，第一个编码字节最高位3位和第二个编码字节的最低4位保存第一个量化数据(1100101B)；第二个编码字节的第5位保存第二个映射数据的符号位(0)，第二个编码字节最高位3位和第三个编码字节的最低4位保存第二个量化数据(0011110B)，依次类推，将前四个量化数据进行保存；

第五个编码字节的第5位保存第五个映射数据的符号位，第五个编码字节最高3位和第六个编码字节的最低3位保存第五个量化数据(000001B)；第六个编码字节的第4位保存第六个映射数据的符号位，第六个编码字节最高位4位和第七个编码字节的最低2位保存第六个量化数据(000001B)；第七个编码字节的第3位保存第七个映射数据的符号位，第七个编码字节最高位5位和第八个编码字节的最低1位保存第七个量化数据(000000B)；第八个编码字节的第2位保存第八个映射数据的符号位，第八个编码字节最高位六位保存第八个量化数据(000000B)。

具体如图6所示。按照此原则，编码后数据的码字长度为“8×8”位，由于编码前映射数据码字的长度为“8×16”位，编码实现了50％的固定压缩比。

在本实施例中，由于采用了动态量化的方式对DCT映射变换后的波形数据进行量化，有效降低了数据压缩的失真度，仅在原始波形幅度较大的地方有相对较大的误差，完全满足三维声波测井的数据失真度指标要求。

3、数据合并与存储

将保留数据数组中的高n₁＝8位保留数据与8位压缩数据(由原始声波数据的低16位数据压缩得到)组合为16位的字数据并保存到输出缓冲区中，如图7所示。由于输入缓冲区中的原始声波数据是32位的双字数据，最终实现的声波数据固定压缩比为50％。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种三维声波测井数据的实时压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、原始声波数据的预处理

对输入缓冲区的n位原始声波数据拆分为高n₁位保留数据和低n₂位待压缩数据，并分别存储到保留数据数组和待压缩数据数组中；

从待压缩数据数组中读入待压缩数据，将其分割为一组一组的长度为m的待压缩数据；

（2）、待压缩数据的压缩

2.1）、DCT映射变换

按组对待压缩数据进行DCT正变换，将待压缩数据的能量尽量集中在少量的系数上，从而最大限度地去除压缩数据中的相关性，得到映射数据；

2.2）、动态量化和数据编码

采用动态量化的方式对映射数据进行量化，对数值较大的数据保留较多的位数，而对数值较小的数据则保留较少的位数；对量化后的数据进行编码；

（3）、数据合并与存储

将保留数据数组中的高n₁位保留数据与编码后的数据进行合并，得到压缩数据，并存储到输出缓冲区。

2.根据权利要求1所述的三维声波测井数据的实时压缩方法，其特征在于，量化时，检测每组映射数据的最大值，根据该数值确定该组数据的有效位，按保留位数从最高有效位开始保留，舍弃部分的按照过半进位的原则进位，得到量化数据，并记录下量化数据最低位在映射数据中的位数，即量化位数。

3.根据权利要求2所述的三维声波测井数据的实时压缩方法，其特征在于，所述的原始声波数据为32位，拆分为高16位保留数据和低16位待压缩数据，分组长度m为8；

量化时，对于前四个映射数据，保留前7位而舍弃后6位，对于后四个映射数据，保留前6位而舍弃后7位，以后四个量化数据最低位在映射数据中的位数作为量化位数。

4.根据权利要求3所述的三维声波测井数据的实时压缩方法，其特征在于，所述的编码为：第一个编码字节的最低4位保存量化位数，第一个编码字节的第5位保存第一个映射数据的符号位，第一个编码字节最高位3位和第二个编码字节的最低4位保存第一个量化数据；第二个编码字节的第5位保存第二个映射数据的符号位，第二个编码字节最高位3位和第三个编码字节的最低4位保存第二个量化数据，依次类推，将前四个量化数据进行保存；

第五个编码字的第5位保存第五个映射数据的符号位，第五个编码字节最高3位和第六个编码字节的最低3位保存第五个量化数据；第六个编码字的第4位保存第六个映射数据的符号位，第六个编码字节最高位4位和第七个编码字节的最低2位保存第六个量化数据；第七个编码字的第3位保存第七个映射数据的符号位，第七个编码字节最高位5位和第八个编码字节的最低1位保存第七个量化数据；第八个编码字的第2位保存第八个映射数据的符号位，第八个编码字节最高位六位保存第八个量化数据。

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