CN105041304B

CN105041304B - 基于二维dct的泵冲干扰信号消除方法

Info

Publication number: CN105041304B
Application number: CN201510447582.2A
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 伍瑞卿; 顾庆水; 江佩佩
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: CN105041304A

Abstract

本发明公开了一种基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，包括：将井下发送的携带有测量数据的接收信号的采样率变换为泵冲干扰信号的基频频率的整数倍，使得所述泵冲干扰信号与所述接收信号同步；对同步后的所述接收信号从一维信号变换成二维信号；对变换后的所述二维信号做二维DCT变换，形成对应DCT域的二维信号；在DCT域将DCT变换后的对应DCT域的二维信号中的泵冲干扰信号消除；将消除了泵冲干扰信号的DCT域的二维信号做二维IDCT反变换，得到对应的时域信号；将时域信号从二维变换到一维，得到泵冲干扰信号消除后的接收信号。本发明有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻测量系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

Description

基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法

技术领域

本发明涉及随钻测量(MWD：Measurement While Drilling)领域，特别涉及一种基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法。

背景技术

随钻测量是一种能在钻头钻井过程中测量、采集钻头附近测井数据，并将采集数据实时传输到地面系统的技术。测井数据通常包括地层特性信息和各种钻井工程参数。作为目前用于钻井随钻测量中最成熟的信息传输技术之一，钻井液压力信号传输方式的基本工作原理是将井下测得的信息转换成控制信息，并将控制信息作用于井下的钻井液压力信号发生器，使传输信道中的钻井液压力发生变化，从而产生钻井液压力脉动，压力脉动通过传输信道中的钻井液传递到地面，经地面处理系统处理而转换成所需的井下测量信息。钻井液MWD系统的总体结构图1所示。

泥浆泵驱动钻井液循环，井下发送端将数据以钻井液压力脉冲形式发送到地面，地面通过压力传感器将钻井液的压力变化转换为电信号送入地面接收单元，地面接收单元负责解码出井下发送的数据。地面接收端常用的信号处理流程如图2所示。

钻井液随钻数据传输系统的各种干扰和噪声中，泥浆泵产生的泵冲干扰信号脉冲幅度较强，当其频率成分与井下发送的泥浆波信号混叠时会对有用信号形成较强的干扰，并且难以去除。地面接收端进行泵冲干扰信号消除一般在预处理阶段进行，处理后数据解码输出可以准确地解析到井下发上来的数据。

现有的钻井液随钻数据传输系统在泵冲干扰信号(泥浆泵产生的脉冲干扰)消除方面也做了相当多的工作，例如利用限波器滤除带内泵冲干扰信号频率分量、利用泥浆泵活塞位置传感器及自适应算法合成泵冲干扰信号、利用自适应梳状滤波器消除泵冲干扰信号、以及采用非线性滤波方法消除泵冲干扰信号等。但是这些方法去除泵冲干扰信号的效果均不理想，效果较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种有效去除泵冲干扰信号的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，包括：

步骤一、将井下发送的携带有测量数据的接收信号的采样率变换为泵冲干扰信号的基频频率的整数倍，使得所述泵冲干扰信号与所述接收信号同步；

步骤二、对同步后的所述接收信号做1D/2D变换，即将一维信号变换成二维信号；

步骤三、对变换后的所述二维信号做二维DCT变换，将其变换到DCT域，形成对应DCT域的二维信号；

步骤四、在DCT域将DCT变换后的对应DCT域的二维信号中的泵冲干扰信号消除；

步骤五、将步骤四中消除了泵冲干扰信号的DCT域的二维信号做二维IDCT反变换，得到对应的时域信号；

步骤六、将所述时域信号从二维变换到一维，得到泵冲干扰信号消除后的接收信号。

步骤一具体为：设接收信号为S_in(l)，根据估计或者测量到的所述泵冲干扰信号的频率，对接收信号S_in(l)进行数字内插使得所述接收信号S_in(l)与所述泵冲干扰信号同步；其中内插后所述接收信号的采样率满足以下预定条件：所述泵冲干扰信号的一个周期内包含接收信号S_in(l)的整数个采样点，其中l为整数，表示时间采样序列的样点序号。

所述步骤二具体为：对同步后的接收信号S_in(l)做1D/2D变换，即将一维信号变换成二维信号，变换后的二维信号记为x(m,n)，该二维信号为M行N列，其中l＝1，2，……，M×N；m＝1，2，……，M；n＝1，2，……，N。

所述步骤三具体为：对所述二维信号x(m,n)做二维DCT变换，将其变换到DCT域，对应DCT域的信号记为X(m,n)。

所述步骤四具体为：在DCT域将所述X(m,n)信号中的泵冲干扰信号消除，即将步骤三中进行DCT变换后的结果X(m,n)的前k行的数据置零得到信号X′(m,n)：

其中k<M。

所述步骤五具体为：将步骤四中得到的信号X′(m,n)做二维IDCT反变换，得到对应的时域信号x′(m,n)。

所述步骤六具体为：将所述时域信号x′(m,n)从二维变换到一维，得到泵冲干扰信号消除后的接收信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明跟踪泵冲干扰信号的周期的变化，并以此实现对泵冲干扰信号的同步，在泵冲干扰信号同步的基础上，将接收到的一维时域信号重新排列成二维信号，再采用二维DCT将其变换到DCT域，在DCT域里，周期的泵冲干扰信号和有用信号是相互分离的，在DCT域将泵冲干扰信号消除后再变换回时域，从而达到消除泵冲干扰信号的目的。本发明可有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻数据传输系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

附图说明：

图1是现有钻井液随钻测量系统示意图；

图2是图1所示系统中地面接收端常用的信号处理流程图；

图3是钻井液信道的噪声信号时域波形图；

图4是钻井液信道的时域噪声数据的统计特性示意图；

图5是钻井液噪声信号的自相关函数示意图；

图6是钻井液噪声信号的功率谱示意图；

图7是本发明基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法流程图；

图8是本发明实施例中实现泵冲干扰信号与接收信号数字采样率同步的原理示意图；

图9是本发明实施例中实现泵冲干扰信号与接收信号变尺寸同步窗同步的原理示意图；

图10是本发明实施例中钻井液随钻测量系统中钻井地面端接收到的信号示意图；

图11是本发明实施例中对图10中所示信号进行泵冲干扰信号消除后的信号示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

钻井液信道环境十分恶劣，在此信息传输方式中，由于现场测量条件的影响，安装在立管上的检测泥浆压力波动的压力传感器的输出，不仅包含井下传来的有用信号，而且含有由于泥浆泵压缩泥浆而引起的大幅度周期性压力波动和其他各种机械作用所引起的压力波动以及随机噪声，干扰信号表现为与泵冲信号特性相关的周期性脉冲，噪声表现为宽带白噪声，而且其幅度远大于有用信号幅度。井口处信号完全淹没在各种噪声中。根据实际测量，采集到的钻井液信道的噪声信号时域波形如图3所示，时域噪声数据的统计特性如图4所示。根据图3和图4分析可以得到，钻井液噪声信号在时域的统计分布呈正态分布。钻井液噪声信号的自相关函数及功率谱如图5和图6所示，由自相关函数分析，可以得到钻井液噪声信号有很强的周期性分量，这是由于泥浆泵的泵冲造成的周期性干扰，这里称为泵冲干扰信号。

泥浆泵产生的泵冲干扰信号幅度较强，但其具有明显的周期特性。根据这个特点，本发明提出了一种基于二维DCT(离散余弦变换)的泵冲干扰信号消除方法，该方法包括以下步骤：

本发明方法跟踪泵冲干扰信号周期的变化，并以此实现对泵冲干扰信号的同步。在泵冲干扰信号同步的基础上，将接收到的一维时域信号重新排列成二维信号，再采用二维DCT将其变换到DCT域，在DCT域里，周期的泵冲干扰信号和有用信号是相互分离的。因此可以在DCT域将泵冲干扰信号消除后再变换回时域，从而达到消除泵冲干扰的目的。下面结合附图具体说明。

参看图7，本发明的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法包括：

步骤一、对接收信号S_in(l)进行同步处理：根据估计或者测量到的泵冲干扰信号的频率，对输入的接收信号进行数字内插，内插后的采样率满足预定条件，所述预定条件为一个泵冲干扰信号周期内包含接收信号S_in(l)的整数个采样点。本发明信号S_in(l)是经过采样的数字信号，本发明利用泵冲频率对S_in(l)进行内插。其中A为整数，表示时间采样序列的样点序号。

步骤二、对同步后的接收信号S_in(l)做1D/2D变换，即将一维信号变换成二维信号，变换后的二维信号记为x(m,n)，该二维信号为M行N列，其中l＝1，2，……，M×N；m＝1，2，……，M；n＝1，2，……，N。

步骤三、对二维信号x(m,n)做二维DCT变换，将其变换到DCT域，对应DCT域的信号记为X(m,n)。

步骤四、在DCT域将所述X(m,n)信号中的泵冲干扰信号消除，即将步骤三中进行DCT变换后的结果X(m,n)的前k行的数据置零得到信号X′(m,n)：

其中k<M；k、m、n、M和N均是整数，N满足每N个采样点包含整数个泵冲干扰信号周期的条件。M可以选取大于1的任意整数。

步骤五、将步骤四中得到的信号X′(m,n)做二维IDCT反变换，得到对应的时域信号x′(m,n)。

步骤六、将所述时域信号x′(m,n)从二维变换到一维，得到泵冲干扰信号消除后的输出信号。

具体的，本发明方法中信号处理过程如下：

1、首先对接收信号S_in(l)进行同步处理。同步处理是根据估计或者测量到的泵冲干扰的频率，对输入信号进行数字内插。内插后的采样率满足的条件是：一个泵冲干扰信号周期内包含整数个采样点。

2、同步后的信号做1D/2D变换，即将一维信号变换成二维信号。变换成的二维信号满足的条件是：一行内包含整数个泵冲干扰信号周期。二维信号的行数大于1，行数越多消除效果会越好，但是延迟会越大，可以根据实际情况折中考虑。假设变换后的二维信号是M行，N列，记为x(m,n)，其中l＝1，2，……，M×N；m＝1，2，……，M；n＝1，2，……，N。

3、对二维信号x(m,n)做二维DCT变换，变换到DCT域。DCT域的信号记为X(m,n)，其中m＝1,2，……，M；n＝1,2，……，N。

4、在DCT域，由于泵冲干扰的周期性特点以及前面已经进行了同步处理，因此泵冲干扰信号只在行方向上有变化，而在列方向上变化很小。因此在DCT域泵冲干扰信号的能量就主要集中在最前面k(k<M)行上。将DCT变换的结果X(m，n)的前k行的数据置0，即

5、将X′(m,n)用IDCT变化回时域，得到x′(m,n)。

6、再将x′(m,n)从二维变换到一维，即得到泵冲干扰消除后的输出信号S_out(l)。

图7中的同步模块的功能是实现采样信号与泵冲干扰信号的同步，当对输入信号进行分块处理的时候，可以保证一个数据块包含整数个泵冲干扰信号的周期。

实现泵冲干扰信号的同步可以有多种方式，当采样周期与泵冲干扰信号的周期相差不大时可以采用采样率同步的方式，如数字采样率同步。如果采样率远大于泵冲干扰信号的基频频率，则可以采用变尺寸同步窗方式来实现同步。下面具体说明：

方式一、如图8所示的数字采样率同步方式：

基频测量及估计模块通过泵冲计数器测量泵冲干扰信号的周期，或者利用接收信号S_in(l)估计出泵冲干扰信号的基频频率。数字内插器根据泵冲干扰信号的周期对接收信号S_in(l)进行数字内插，将S_in(l)的采样率变换为泵冲干扰信号基频频率的整数倍，从而实现泵冲干扰的同步。

方式二、如图9所示的变尺寸同步窗方式同步：

基频测量及估计模块通过泵冲计数器测量泵冲干扰信号的周期，或者利用接收信号S_in(l)估计出泵冲干扰信号的基频频率。变尺寸同步窗则根据S_in(l)的采样率以及泵冲干扰信号的基频频率计算出合适的窗大小，以保证窗口内的信号包含整数个泵冲干扰信号周期，从而实现泵冲干扰的同步。

以同步采用的数字采样率同步，自适应算法采用的LMS算法为例：采用本发明实现泵冲干扰信号消除后的效果如图11所示。消除前地面接收的信号如图10所示，通过图10和11的对比，可知本发明可有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻数据传输系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims

1.一种基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

对同步后的接收信号S_in(l)做1D/2D变换，即将一维信号变换成二维信号，变换后的二维信号记为x(m,n)，该二维信号为M行N列，其中l＝1，2，……，M×N；m＝1，2，……，M；n＝1，2，……，N。

4.根据权利要求3所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

对所述二维信号x(m,n)做二维DCT变换，将其变换到DCT域，对应DCT域的信号记为X(m,n)。

5.根据权利要求4所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

在DCT域将所述X(m,n)信号中的泵冲干扰信号消除，即将步骤三中进行DCT变换后的结果X(m,n)的前k行的数据置零得到信号X′(m,n)：

其中k<M。

6.根据权利要求5所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

将步骤四中得到的信号X′(m,n)做二维IDCT反变换，得到对应的时域信号x′(m,n)。

7.根据权利要求6所述的基于二维DCT的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述步骤六具体为：

将所述时域信号x′(m,n)从二维变换到一维，得到泵冲干扰信号消除后的接收信号。