CN102704919B - 一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置，该方法包括：将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；将去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；在上限数字截止频率和下限数字截止频率之间搜索信号幅度谱的最大值和最大值所对应频率的序号，及相邻的次最大值和次最大值所对应频率的序号；根据信号幅度谱的最大值和最大值所对应频率的序号，及次最大值和次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；利用真实频率和真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。本发明实施例可从噪声背景下提取出频变的磁场信号，为实现井间距离的精确测量奠定基础。

Description

一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置

技术领域

本发明涉及地下资源钻采工程技术领域，尤其涉及一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置。

背景技术

在石油、天然气和煤层气开采中，双水平井、连通井、U形井以及多分支井等复杂结构井的钻进都要求精确探测井间相对距离和方位信息，以使相邻两口井连通或按设计轨迹钻进。目前国外公司研制的井间测距仪器主要有旋转磁场井间测距系统RMRS（RotatingMagnet Ranging System）和磁场定位导向工具MGT（Magnetic Guidance Tool）两种。

旋转磁场井间测距系统RMRS中，以安装在正钻井中钻头后方的磁短节作为交变磁场发生器，位于邻井中的X、Y、Z三轴传感器接收磁场信号，据此计算出井间距离和方位信息。接收的RMRS磁场信号具有三个特点：一是信号微弱，信号幅度随传播距离的三次方急速衰减；二是信号为频变信号，其频率随着钻头转速的改变而变化；三是信号中含有大量干扰和噪声。因此含有噪声的频变的磁场信号的准确提取是实现精确测距导向的一个关键问题。

发明内容

本发明实施例提供一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置，以从噪声背景下提取出频变的磁场信号，为实现井间距离的精确测量奠定基础。

一方面，本发明实施例提供了一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，所述方法包括：

将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

将所述去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；

在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括：将RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括：根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括：根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括：根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，所述装置包括：

去直流处理单元，用于RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

确定单元，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

DFT单元，用于将所述去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；

搜索单元，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

重构信号单元，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

恢复单元，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述去直流处理单元，进一步用于将RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述确定单元，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

可选的，在本发明一实施例中，所述重构信号单元，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

可选的，在本发明一实施例中，所述重构信号单元，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；将所述去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号的技术手段，所以具有如下技术效果：在噪声背景下通过重构出频变的RMRS信号来实现消噪，并且该方案实现了RMRS信号的高精确度实时提取，能够大幅度提高旋转磁场井间随钻测距的精度，确保复杂结构井轨迹的精确导向、准确中靶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法流程图；

图2为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置结构示意图；

图3(a)为本发明应用实例由计算机产生的纯净的正弦信号示意图；

图3(b)为本发明应用实例图3(a)信号的DFT幅度谱示意图；

图3(c)为采用本发明应用实例方法进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；

图3(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；

图4(a)为本发明应用实例由计算机产生的含白噪声的正弦信号示意图；

图4(b)为本发明应用实例图4(a)信号的DFT幅度谱示意图；

图4(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；

图4(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；

图5(a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图；

图5(b)为本发明应用实例图5(a)信号的DFT幅度谱示意图；

图5(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形示意图；

图6(a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图；

图6(b)为本发明应用实例图6(a)信号的DFT幅度谱示意图；

图6(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法流程图，所述方法包括：

101、将旋转磁场测距系统（RMRS，Rotary Magnetic Ranging System）信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

102、确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

103、将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换（DFT，Discrete Direct FourietTransformer），获取信号幅度谱；

104、在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

105、根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

106、利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

可选的，所述将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括：将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

可选的，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括：根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

可选的，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括：根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

可选的，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括：根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

对应于上述方法实施例，如图2所示，为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置结构示意图，所述装置包括：

去直流处理单元21，用于将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

确定单元22，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

DFT单元23，用于将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；

搜索单元24，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

重构信号单元25，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

恢复单元26，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

可选的，所述去直流处理单元21，进一步用于将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

可选的，所述确定单元22，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

可选的，所述重构信号单元25，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

可选的，所述重构信号单元25，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

综上所述，本发明实施例设计的基于DFT的具有频率重构特性的信号消噪方法，通过在上、下限数字截止频率之间搜索RMRS信号幅度谱的最大值和次最大值以及它们所对应的频率序号值，重构信号的真实频率和真实幅度，有效地滤除了有用信号频率以外的干扰和噪声，实现了RMRS信号的高精度实时提取，能够大幅度提高旋转磁场井间随钻测距的精度，确保复杂结构井钻井轨迹的精确导向、准确中靶。

以下结合具体应用实例对本发明实施例的上述流程步骤101-步骤106（分别对应下述步骤1-步骤6）进行详述。本发明实施例的基于DFT的具有频率重构特性的信号消噪方法，能够实时精确的提取RMRS信号，通过如下步骤实现：

步骤1：对RMRS信号进行去直流处理，假设x(n)为一RMRS接收信号的N点采样值，计算x(n)的均值，即直流分量：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)$

将

从x(n)中去除：

$x_0\left(n\right)=x\left(n\right)-\stackrel{\‾}{x}$

得到去直流后的RMRS信号x₀(n)；

步骤2：根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率f_ha、下限截止频率f_la。假设F_s为RMRS信号的采样频率，则上、下限数字截止频率分别为：

f_hd=f_ha/F_s

f_ld=f_la/F_s

步骤3：对去直流的RMRS信号做DFT，得到X(k)，再计算信号的幅度谱X_r(k)；

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}}$

X_r(k)=|X(k)|

式中

k=0,1,…,N-1；

步骤4：在上、下限数字截止频率之间搜索信号幅度谱的最大值，及相邻数字频率点的次最大值；

先计算上、下限数字截止频率对应的信号序列号：

n_hd=f_hd×N

n_ld=f_ld×N

在n∈(n_ld,n_hd)区间，搜索幅度谱的最大值，及相邻数字频率点的次最大值，满足：

X_r(n_max)=Max[X_r(n)]

X_r(n_max0)=Max[X_r(n_max-1),X_r(n_max+1)]

式中，n_max为幅度谱最大值所对应频率的序号，n_max0为与最大值相邻的次最大值所对应频率的序号，即n_max0=n_max±1；

步骤5：根据频域搜索结果，重构信号的真实频率和幅度；

正弦信号N点采样值的DFT幅度谱为：

$X_r\left(k\right)=\frac{\sin [\mathrm{N\π}\×(\frac{k}{N}-f_0)]}{\sin [\mathrm{\π}\×(\frac{k}{N}-f_0)]}$

式中，f₀为正弦信号的数字频率。

一般的，在RMRS系统中，钻头转速，即正弦信号的模拟频率变化范围为1～3Hz，取信号的采样频率Fs=50Hz，则相应的f₀变化范围为0.02～0.06；又k/N=f_a/F_s，其中f_a为模拟频率，当在1～3Hz范围内搜索时，有k/N<0.1，此时有：

$\sin [\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{k}{N}-f_0)]\&ap;\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{k}{N}-f_0)$

$X_r\left(k\right)\&ap;\frac{\sin [\mathrm{N\&pi;}\&times;(\frac{k}{N}-f_0)]}{\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{k}{N}-f_0)}$

[n_max,X_r(n_max)]，[n_max0,X_r(n_max0)]满足下式：

$(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)\&times;X_r\left(n_{\max }\right)+(\frac{n_{\max 0}}{N}-f_0)\&times;X_r\left(n_{\max 0}\right)$

$=(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)\&times;\frac{\sin \left[\mathrm{N\&pi;}(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)\right]}{\mathrm{\&pi;}(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)}+(\frac{n_{\max 0}}{N}-f_0)\&times;\frac{\sin [\mathrm{N\&pi;}(\frac{n_{\max 0}}{N}-f_0)}{\mathrm{\&pi;}(\frac{n_{\max 0}}{N}-f_0)}$

由于n_max0=n_max±1

基于上述原理，重构信号真实频率的估计值为：

${\hat{f}}_0=\frac{F_s}{N}\&times;\frac{n_{\max }\&times;X_r\left(n_{\max }\right)+n_{\max 0}\&times;X_r\left(n_{\max 0}\right)}{X_r\left(n_{\max }\right)+X_r\left(n_{\max 0}\right)}$

以

作为初始值，用牛顿迭代法逼近真实频率；

构造逼近函数：

$f\left(x\right)=\frac{\sin [\mathrm{N\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max }}{N}-x)]}{\sin [\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max }}{N}-x)]}\&times;\frac{\sin [\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max 0}}{N}-x)]}{\sin [\mathrm{N\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max 0}}{N}-x)]}-\frac{X_r\left(n_{\max }\right)}{X_r\left(n_{\max 0}\right)}$

实施过程中，可根据信号幅度谱的具体数值，选择[n_max,X_r(n_max)]，[n_max0,X_r(n_max0)]以外的其他点对构造逼近函数，以期获得更好的检测结果。

应用牛顿迭代公式：

x=x-f(x)/f'(x)

求得重构的信号真实频率f₀；

由于RMRS信号的频率即为钻头的转速，因此传感器接收的X、Y、Z三轴信号的频率是相同的，实施过程中，根据传感器的检测特性，可选取某一个轴的信号重构三轴信号的真实频率。

重构的信号真实幅度为：

$A=2\&times;X_r\left(n_{\max }\right)\&times;\frac{\sin [\mathrm{\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)]}{\sin [\mathrm{N\&pi;}\&times;(\frac{n_{\max }}{N}-f_0)]}$

步骤6：恢复消噪后的时域信号；

由步骤5得出的(A,f₀)，即可恢复消噪后RMRS信号的时域信号y(n)：

y(n)=Acos(2πf₀n)

通过以上步骤，分别对计算机产生的纯净正弦信号、计算机产生的含有随机噪声的正弦信号、井间距离为30m的实测RMRS三轴传感器接收信号、井间距离为50m的实测RMRS三轴传感器接收信号进行处理，处理结果如图3(a)-图6(c)所示，取得很好的消噪效果。

图3(a)-图3(d)是本发明应用实例对计算机产生的纯净信号的处理结果：图3(a)为本发明应用实例由计算机产生的纯净的正弦信号示意图，X、Y、Z信号分别是幅度为2V、3V、4V，频率为1Hz、2Hz、3Hz的正弦信号；图3(b)为本发明应用实例图3(a)信号的DFT幅度谱示意图；图3(c)为采用本发明应用实例方法进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图3(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图。本发明应用实例方法与没有频率重构检测方法对信号的幅度和频率及其相对误差的检测对比结果列于表1中。由表1数据可见，本发明应用实例方法幅度检测相对误差在2.5%以内，频率检测相对误差在0.09%以内，而无频率重构方法的幅度检测相对误差高达34%，频率检测相对误差达到2.345%，本发明应用实例方法检测精度明显优于没有频率重构的检测方法，验证了本发明应用实例方法对正弦信号幅度和频率检测的正确性。

表1纯净正弦信号幅度和频率及其相对误差检测结果对比

图4(a)-图4(d)是本发明应用实例对计算机产生的含有随机噪声的正弦信号的处理结果：图4(a)为本发明应用实例由计算机产生的含白噪声的正弦信号示意图，X、Y、Z信号分别是幅度为2V、3V、4V，频率为1Hz、2Hz、3Hz的正弦信号叠加上方差为1的白噪声；图4(b)为本发明应用实例图4(a)信号的DFT幅度谱示意图；图4(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图4(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图。本发明应用实例方法与没有频率重构检测方法对信号的幅度和频率及其相对误差的检测对比结果列于表2中。由表2数据可见，本发明应用实例方法幅度检测相对误差在2.7%以内，频率检测相对误差在1.1%以内，而无频率重构方法的幅度检测相对误差高达37%，频率检测相对误差达到2.345%，本发明应用实例方法检测精度明显优于没有频率重构的检测方法，验证了本发明应用实例方法对信号消噪的有效性。

表2含噪声正弦信号幅度和频率及其相对误差检测结果对比

图5(a)-图6(c)是本发明应用实例对实测信号的处理结果。由于RMRS三轴传感器接收信号的频率即为钻头的转速，因此传感器接收的X、Y、Z三轴信号的频率是相同的。根据传感器的检测特性，可选取杂波较小的某一个轴的信号来重构三轴信号的真实频率。

图5(a)-图5(c)是本发明应用实例在井间距离为30m时，对实测RMRS三轴传感器接收信号的处理结果：图5(a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图，Z轴信号的信噪比较高，X轴信号的信噪比较低。图5(b)为本发明应用实例图5(a)信号的DFT幅度谱示意图，X轴信号在1～3Hz有用频率范围内含有较大的杂波。图5(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形示意图。由上述可见，采用本发明应用实例方法处理实际信号，可以完全消除杂波干扰，恢复出干净的正弦信号。

图6(a)-图6(c)是本发明应用实例在井间距离50m时，对实测的RMRS三轴传感器接收信号的处理结果：图6(a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图。图6(b)为本发明应用实例图6(a)信号的DFT幅度谱示意图，由于有用信号幅度随测量距离的增大而减小，三轴接收信号的信噪比进一步降低。图6(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形。由上述可见，采用本发明应用实例方法处理实际信号，可以完全消除杂波干扰，恢复出干净的正弦信号。

本发明应用实例通过一种基于离散傅里叶变换（DFT，Discrete Direct FourietTransformer）的具有频率重构特性的频变信号消噪方法，对旋转磁场测距系统（RMRS，Rotary Magnetic Ranging System）接收到的含有噪声的正弦信号先进行去直流处理，再做DFT，并在信号频率变化范围内搜索并锁定RMRS信号对应的频率，滤除其他频率的杂波，然后恢复出干净的正弦信号，实现对RMRS信号频率和幅度的精确提取。本发明所提出的基于DFT的具有频率重构特性的频变信号消噪方法，可完全滤除其他杂波，精确地提取RMRS信号，更好地服务于复杂结构井钻井轨迹的精确导向、准确中靶。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrativelogical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrativecomponents），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储于电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片（disk）和磁盘（disc）包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述方法包括：

将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；

在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

2.如权利要求1所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括：

将RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

3.如权利要求1所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括：

根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；

根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

4.如权利要求1所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括：

根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；

根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

5.如权利要求4所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括：

根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

6.一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，所述装置包括：

去直流处理单元，用于将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；

确定单元，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；

DFT单元，用于将所述去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；

搜索单元，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；

重构信号单元，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；

恢复单元，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。

7.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，

所述去直流处理单元，进一步用于将RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。

8.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，

所述确定单元，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。

9.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，

所述重构信号单元，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。

10.如权利要求9所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，

所述重构信号单元，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。

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