CN104453868B - 感应测井仪器发射信号合成装置及其方法、感应测井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及感应测井仪器的发射信号合成装置及其方法、以及感应测井方法，采用峰均比技术，根据发射线圈的参数和性能特点，使发射信号的各个频率分量按照一定关系进行计算合成，使发射机前端的高功率放大器更多地工作在线性区域，提高发射电路的效率，防止高峰均比导致的功放性能的下降、信号频谱扩散和畸变。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应测井仪器的发射信号的多频合成技术，具体地，涉及感应测井仪器的发射信号合成装置及发射信号合成方法、感应测井方法。
背景技术
测井是利用井下仪器采用不同方法对井下地层进行各种参数测量。目前，所采用的井下测量方法主要有电阻率、声波和放射性等。各种测量方法都可以获得井下地层中的响应的各种物理特性，而这些特性与地层中油、气、水含量存在某种对应关系。因此，测井在石油、天然气等行业的勘探、开发中非常有用。
自20世纪20年代发明电测井以来，一般地说，采用两种电测井方法：一种是通过井下仪器的发射电极直接向井眼周围的地层发射直流电，在地层中形成电场，通过研究地层中电场的变化，求得地层电阻率。而针对井内没有导电介质，如用油基钻井液、空气钻井等，则不能使用直流电法测井；根据电磁感应原理又提出了感应测井方法以测量地层的电导率。从物理学原理知道，电导率与相应的电阻率成倒数关系。感应测井是利用交流电的互感原理，利用发射线圈中的交流电流在接收线圈中感应出电动势，由于发射线圈和接收线圈都在井内，发射线圈的交流电流必然在井筒周围地层中感应出涡流，而该涡流又对接收线圈的感应电动势产生影响，因此该电动势与涡流的强度有关，即与地层的电导率有关。
感应测井仪器采用一系列不同线圈距的线圈系对同一地层进行测量，然后通过硬件或软件聚焦处理获得不同径向探测深度的地层电导率，从而有效地识别油气层。如附图8所示，阵列感应测井仪器首先通过发射线圈向地层发送电磁场（附图8最上部分为发射线圈），该电磁场在地层单元环中产生感生电流，激发二次场（附图8中间部分为地层单元环），然后由各组接收线圈接收，二次场在接收线圈中产生二次场感生电动势，接收到的信号经井下仪器处理后，通过遥传系统将信息传送至地面仪器（附图8最下部分为接收线圈）。接收线圈所接收到的二次磁场所产生的感应信号与地层电导率有关，称为有用信号，用VR表示。假设地层介质为均匀无限介质，根据理论计算，有用信号VR以下式表示：
nT，ST分别为发射线圈天线的匝数和面积；
I为发射线圈的电流强度；
nR，SR分别为接收圈天线的匝数和面积；
L为发射线圈到接收线圈之间的距离，简称线圈距；
μ为介质的磁导率，在沉积岩的情况下μ=4π×10-7H/m；
ω为电流的角频率，ω=2πf，f为电流的频率；
σ为地层的电导率。
为了达到提高感应测井仪器测量的分辨率和增加仪器探测深度而采用信号合成技术，信号合成技术是现代电子系统的重要组成部分，在通讯、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等领域中广泛使用。近些年来，在石油测井领域也逐步推广使用。其中，直接数字频率合成（DDS）技术是20世纪80年代末，随着数字集成电路和微电子技术的发展出现的一种频率合成技术，它从相位量化的概念出发进行频率合成，与传统的频率合成技术相比，直接数字频率合成技术具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定性高、易于调整及控制灵活等优点，但直接数字频率合成技术存在合成的频率较低、频谱不纯的缺点。
期刊《压电与声光》 2009年06期公开了一种基于改进DDS技术的FPGA数字调制器研究与实现（作者，李康顺等），该方法首先对DDS技术进行改进,然后再利用这种改进的DDS技术在Matlab/DSP Builder环境下建立现场可编程门阵列(FPGA)数字调制器的设计模型，虽然该方法最终达到了成本低,修改方便,快速产生多种模式数字调制信号的目的，但依然没有克服直接数字频率合成技术存在的合成频率较低、频谱不纯的缺陷。
发明内容
针对上述问题点，为了满足不同领域的特殊需求，本发明根据阵列感应测井仪器的发射信号的特点而提出的，其目的在于提供一种阵列感应测井仪器的发射信号合成装置及其合成方法，采用峰均比技术，根据发射线圈的参数和性能特点，使发射信号的各个频率分量按照一定关系进行计算合成，从而消除直接数字频率合成技术中的合成频率较低、频谱不纯的问题。
为了解决上述课题，本发明提供了以下的技术手段。
本发明提供一种感应测井仪器的发射信号的合成方法，所述发射信号由多个频率分量的正弦信号合成，其包括如下步骤：
利用峰均比技术，在发射线圈电路中，确定所述发射信号的所述多个频率分量的电流比使其满足一定的关系；
根据所述多个频率分量的电流比利用公式（4）计算出发射线圈电路的阻抗ZEQ之比；
公式（4）中，ZR为线圈电路的阻抗，ZC为电容的容抗，ZL为发射线圈的感抗；
根据各所述频率分量的电流比和阻抗比，确定各所述频率分量的发射电压的比值；
根据所述频率分量的发射电压的比值，利用公式（5）和（6）求出所述多个频率合成的电压信号，
定义信号的峰均比为 
……（6）
式中，
表示发射信号/>
的峰值。/>
优选地，在本发明的发射信号的合成方法中，所述多个频率分量的电流比为频率平方的反比，即I1：I2：I3：I4: I5：I6 = 
。
优选地，在本发明的发射信号的合成方法中，所述多个频率分别为16kHz、24kHz、40kHz、64kHz、88kHz、112kHz。
优选地，在本发明的发射信号的合成方法中，所述多个频率分量的电流比I1：I2：I3：I4: I5：I6 = 16:6.25:2.25:1:1:1。
优选地，在本发明的发射信号的合成方法中，采用如下步骤调整
使PAR最小：
随机产生
，k=1、2、3、4、5、6；
计算PAR，判断本次计算的PAR是否小于PAR0，如果小于则更新PAR,并记录当前的
；
重复前两步100000次，取得最优的
，k=1、2、3、4、5、6。
优选地，采用上述合成方法合成后的发射信号在发射线圈中激励出的电流为：
式中
k=1、2 、3 、4、 5、 6，为六个输出频率分量的电流有效值。
优选地，在本发明的发射信号的合成方法中，最优峰均比为2.1917。
另外，本发明提供一种感应测井方法，包括如下步骤：
采用上述合成方法合成感应测井仪器的发射信号；
所述合成后的发射信号被转变成模拟信号，经功率放大后对发射线圈进行驱动；
接收线圈接收到的感应信号被强制放大后，被转换成数字信号，采用幅相提取技术，取得个通道的各频率分量的相位和幅度后通过传输系统传送至地面，由地面系统完成进一步的数据处理。
优选地，在本发明的感应测井方法中，其特征在于，
所采集到的信号为
式中n=0…N-1,其中N为采样点数，采用相关法求取采集到的信号所包含的各频率分量的幅值和相位，设参考信号为下式（9）所示，
则可利用下式（10）来求取仪器各通道的响应各频率分量的值，该值为复数，即：
其中当
时
本发明还提供一种感应测井仪器的发射信号的合成装置，所述发射信号由多个频率分量的正弦信号合成，其特征在于，包括：
电流比确定装置，利用峰均比技术，在发射线圈电路中，确定所述发射信号的所述多个频率分量的电流比使其满足一定的关系；
阻抗比确定装置，根据所述多个频率分量的电流比利用公式（4）计算出发射线圈电路的阻抗ZEQ之比，所述发射线圈为RLC串联电路；
公式（4）中，ZR为线圈电路的阻抗，ZC为电容的容抗，ZL为发射线圈的感抗；
发射电压确定单元，根据各所述频率分量的电流比和阻抗比，确定各所述频率分量的发射电压的比值，利用公式（5）和（6）求出所述多个频率合成的电压信号，
定义信号的峰均比为 
……（6）
式中，
表示发射信号/>
的峰值。
本发明中，通过采用上述技术手段，能够提高发射电路的效率，避免较高峰均比的多频发射信号将功放驱动到非线性区，防止功放性能的下降、信号频谱扩散和畸变。
附图说明
图1是三维阵列感应仪器的数字处理部分框图。
图2是发射线圈电路的框图。
图3是三维阵列感应仪器的发射信号合成的功能框图。
图4是初始相位为1,2,3,4,5,6的合成发射信号的波形图。
图5是初始相位为0的合成发射信号的波形图。
图6是最优峰均比的合成发射信号的波形图。
图7是合成发射信号的电压计算结果的图。
图8是三维阵列感应仪器测量信号的原理图。
具体实施方式
以下，针对本发明的发射信号合成的实例进行具体说明。
附图1是三维阵列感应仪器的数字处理电路的主要拓扑结构，其主要包括数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、数模转换器和模数转换器，用于完成仪器的命令解析、发射数据输出、数据采集、信号处理等工作。现场可编程门阵列的发射数据经数模转换器转变成模拟信号，功率放大后对发射线圈进行驱动，接收线圈接收到的感应信号被强制放大后，经过模数转换器转换成数字信号，经现场可编程门阵列发送到数字信号处理器中进行数据解析和处理，其处理结果被上传到地面系统。
附图2是三维阵列感应仪器的发射线圈电路的框图。发射电路负载为发射线圈，具有高感抗、低电阻的特点，且仪器供电电压低，要在发射线圈上输出较大功率，需要在发射电路末端使用谐振电路调整负载的阻抗特性，以实现功率源和线圈间的阻抗匹配。在本实施方式中，发射线圈电路为电容、电感和电阻所组成的串联电路。
在本实施方式中，采用了多个频率，同时通过激励产生大功率的多频信号，其包含6个频率信号，分别为16kHz、24kHz、40kHz、64kHz、88kHz、112kHz。
具体地，本发明的三维阵列感应仪器的发射信号由上述六个频率分量的正弦信号合成。利用峰均比技术，在发射线圈电路中，使电流的比值为频率平方的反比，即I1：I2：I3：I4: I5：I6 = 
。
峰均比技术，简称PAR（peak-to-average ratio），也称峰均功率比(简称PAPR,peak-to-average power ratio)，是指信号包络的概率峰值和均值的比，常用于衡量信号质量。峰均比是一种对波形的测量参数,等于波形的振幅除以有效值(RMS)所得到的一个比值。较高的峰均比信号，要求系统中的功率放大器具有较大的动态范围，放大器的非线性会引起信号产生严重的带内失真和带外噪声，功放功率利用率下降。对于具有相同均值的两个信号来说，低峰均比的信号能够使发射机前端的功率放大器更多地工作在线性区域，也就是说，前端的功率放大器能够更有效的使用发射机的功率。
而对于设计好的三维阵列感应仪器来说,发射频率f, 线圈系的面积S, 源距L,匝数n都是固定的, 同时认为在感应测井研究范围内地层单元的环磁导率µ为常量。这样,将不变的量合并在一起称为仪器常数或仪器K值。简单地看, K值就是仪器的测量响应对单元环电导率的放大(转换)倍数, K值越大,信号越强。K的表达式如下：
公式（2）中，ω=2*pi*f，iT 为发射电流，可以看出，针对不同的频率信号，要保持K值不变，如上所述，发射信号的频率分量的电流值与该信号频率的平方成反比。
为了便于计算，进行简化，取后三个频率的电流比为1:1:1，计算后所得到的结果为：
I1：I2：I3：I4: I5：I6 = 16:6.25:2.25:1:1:1。
另外，由下式（3）可见，地层的有用信号为
其中
，为几何因子，只与线圈的位置和面积相关，因此不同频率分量的信号和K值相关，提高不同频率分量K值的一致性，使不同频率分量K值在一个数量级，可以减少不同频率信号趋肤效应的影响，从而提高感应信号处理的精度。
本实施方式中，发射线圈电路如附图2所示，其可以看成是RLC串联电路，由公式
计算出发射线圈电路的阻抗，其中ZR为发射线圈的阻抗，ZC为电容的容抗，ZL为发射线圈的感抗。
已知各个频率分量的电流比和阻抗比，即可求解出各个频率分量的发射电压的比值，具体如附图7所示。
三维阵列感应仪器的输出电压为多个频率合成的电压信号，其可通过下述公式进行计算：
定义信号的峰均比为 
……（6）
式中，
表示发射信号/>
的峰值。
当调整
，PAR最小时，得到一组/>
，此时，在发射电路硬件不变的情况下，可实现发射信号能量最大，也就是各频率分量的能量最大，进而保证接收信号的信噪比最大。
寻求最优
的方法是：
第一步、随机产生
，k=1、2、3、4、5、6；
第二步、计算PAR，判断本次计算的PAR是否小于PAR0，如果小于则更新PAR,并记录当前的
，；
第三步、重复前两步100000次，认为可以取得最优的
，k=1、2、3、4、5、6。
另外，式中Ts为采样间隔，取1uS，n=0，1…124,fk表示6个频率分量的频率，本实施方式中为16k, 24k, 40k, 64k, 88k, 112k，而
k=1、2 、3 、4、 5、 6为六个输出频率分量的电压的有效值。
此外，在发射线圈中激励出的电流为：
式中
k=1、2 、3 、4、 5、 6，为六个输出频率分量的电流有效值。
如上所述，通过优化发射线圈电路参数，采用峰均比技术，根据各频率分量的电流比和阻抗比，计算得到各个频率信号的电压比，从而合成多频发射信号，实现发射信号的不失真从而高效地发射。
附图3为三维阵列感应仪器的信号合成的功能框图。如图3所示，通过三维阵列感应仪器采用上述直接数字合成技术生成发射波形数据后，将该数据存放在寄存器内。三维阵列感应仪器的数模转换器的工作频率为1MHz，每个周期共计125个数据，在开始输出时，将寄存器内存放的数据以1uS间隔时间读出并送入到数模转换器进行数模转换，输出发射模拟信号。
附图4为初始相位为1、2、3、4、5、6的合成发射信号的波形图，其中，峰均比为3.12226。
附图5为初始相位为0的合成发射信号的波形图，其中，峰均比为3.4641。
附图6是最优峰均比的合成发射信号的波形图，其中，峰均比为2.1917。
从上述三种信号的波形图结果可以看到，在发射电路硬件不变的情况下，最优峰均比的情况下能够实现发射信号能量的最大化，也就是说，能够实现各频率分量的能量最大，进而保证接收信号的信噪比最大。
经上述方式合成后的合成信号作为线性功率放大电路的输入信号，经过功率放大后驱动发射线圈从而激励电磁场。
阵列感应仪器的上述发射信号合成装置实现了6个频率的大功率驱动，结合仪器噪声抑制技术，能够满足仪器信噪比的需求。
再者，在本实施方式中，应用了采集信号的幅相提取技术，信号幅相提取由井下的数字信号处理器来完成，取得各通道的各频率分量的相位和幅度后通过传输系统传送至地面，由地面系统完成进一步的数据处理。
设仪器采集到的信号为
式中n=0…N-1,其中N为采样点数，采用相关法求取采集到的信号所包含的各频率分量的幅值和相位。具体地，
参考信号可用下式（9）来表示：
则可以利用下式（10）来求取仪器各通道的响应各频率分量的值，该值为复数，即：
注意当
时
通过以上实施方式的描述，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种感应测井仪器的发射信号的合成方法，所述发射信号由多个频率分量的正弦信号合成，其特征在于，包括如下步骤：
利用峰均比技术，在发射线圈电路中，确定所述发射信号的所述多个频率分量的电流比使其满足一定的关系；
根据所述多个频率分量的电流比利用公式(4)计算出发射线圈电路的阻抗ZEQ之比；
公式(4)中，ZR为线圈电路的阻抗，ZC为电容的容抗，ZL为发射线圈的感抗；
根据各所述频率分量的电流比和阻抗比，确定各所述频率分量的发射电压的比值；
根据所述频率分量的发射电压的比值，利用公式(5)和(6)求出所述多个频率合成的电压信号，
定义信号的峰均比为
式中，Max|(u_Tx(n))|表示发射信号u_Tx的峰值，U_Txk为输出频率分量的电压的有效值，Tsn为采样间隔。
2.根据权利要求1所述的发射信号的合成方法，其特征在于，所述多个频率分量的电流比为频率平方的反比，即I1：I2：I3：I4:I5：I6＝F62：F52：F42：F32：F22：F12。
3.根据权利要求1或2所述的发射信号的合成方法，其特征在于，所述多个频率分别为16kHz、24kHz、40kHz、64kHz、88kHz、112kHz。
4.根据权利要求2所述的发射信号的合成方法，其特征在于，所述多个频率分量的电流比I1：I2：I3：I4:I5：I6＝16:6.25:2.25:1:1:1。
5.根据权利要求1或2所述的发射信号的合成方法，其特征在于，采用如下步骤调整ψk使PAR最小：
随机产生ψk，k＝1、2、3、4、5、6；
计算PAR，判断本次计算的PAR是否小于PAR0，如果小于则更新PAR,并记录当前的ψk；
重复前两步100000次，取得最优的ψk，k＝1、2、3、4、5、6。
6.根据权利要求1或2所述的发射信号的合成方法，其特征在于，采用上述方法合成后的发射信号在发射线圈中激励出的电流为：
式中I_Txk k＝1、2、3、4、5、6，为六个输出频率分量的电流有效值。
7.根据权利要求1或2所述的发射信号的合成方法，其特征在于，最优峰均比为2.1917。
8.一种感应测井方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用权利要求1～7中任意一项所述的合成方法合成感应测井仪器的发射信号；
所述合成后的发射信号被转变成模拟信号，经功率放大后对发射线圈进行驱动；
接收线圈接收到的感应信号被强制放大后，被转换成数字信号，采用幅相提取技术，取得各通道的各频率分量的相位和幅度后通过传输系统传送至地面，由地面系统完成进一步的数据处理。
9.如权利要求8所述的感应测井方法，其特征在于，
所采集到的信号为
式中n＝0…N-1,其中N为采样点数，采用相关法求取采集到的信号所包含的各频率分量的幅值和相位，设参考信号为下式(5)所示，
则可利用下式(6)来求取所述感应测井仪器各通道的响应各频率分量的值，该值为复数，即：
其中当k≠m时，
10.一种感应测井仪器的发射信号的合成装置，所述发射信号由多个频率分量的正弦信号合成，其特征在于，包括：
电流比确定单元，利用峰均比技术，在发射线圈电路中，确定所述发射信号的所述多个频率分量的电流比使其满足一定的关系；
阻抗比确定单元，根据所述多个频率分量的电流比利用公式(4)计算出发射线圈电路的阻抗ZEQ之比，所述发射线圈为RLC串联电路；
公式(4)中，ZR为线圈电路的阻抗，ZC为电容的容抗，ZL为发射线圈的感抗；
发射电压确定单元，根据各所述频率分量的电流比和阻抗比，确定各所述频率分量的发射电压的比值，利用公式(5)和(6)求出所述多个频率合成的电压信号，
定义信号的峰均比为
式中，Max|(u_Tx(n))|表示发射信号u_Tx的峰值，U_Txk为输出频率分量的电压的有效值，Tsn为采样间隔。
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