CN105956566A - 一种深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路，包括以下步骤：1)将待处理随机信号幅值测量范围等分成m层幅值区间，并根据待处理随机信号幅值测量范围和m层幅值区间设置m个参考电平并相应提供给m级并联比较器；2)m级并联比较器接收m个参考电平和待测信号，并输出m个比较输出信号；3)将相邻的两个比较输出信号进行异或处理，得到含有待测信号幅值落在各层幅值区间的时间宽度和时间宽度出现次数信息的分层信号，分别统计获得观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值，并上传至计算机；4)计算机根据观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值绘制平均速率分布直方图和幅度概率分布图。本发明能够对随机信号进行快速、实时分析处理。

Description

一种深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路

技术领域

本发明涉及随机信号分析领域，特别是涉及一种深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路。

背景技术

在海洋石油钻井过程中，采用超声波多普勒原理进行流速测量和检测含气量的研究，其中利用超声波多普勒测量流速时，得出流速和多普勒信号的幅度和频率相关信号，但是该信号并不是单一的标准多普勒频移信号，由于信号本身的随机性，要从这样的信号中分析出有用信号具有一定难度，因此利用超声波多普勒测量流速方法得到准确的流速结果很困难。利用超声波多普勒检测含气量时，虽然可得到含气量和多普勒信号的幅度和频率相关信号，但是由于气侵检测工作在水下几千米的深海区域中进行，如果将检测到的随机信号传至路面上处理会使气侵检测滞后，因此在深海里不能像陆地上那样用计算机软件进行处理，进而达不到实时效果。为了能够对海洋石油钻井过程中的流速测量信号、气侵检测信号等随机信号进行实时、有效和快速分析，有必要研究一种随机信号处理方法及处理电路。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路，能够对随机信号进行快速、实时分析处理。

为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种深海钻井气侵检测信号处理方法，包括以下步骤：1)将待处理随机信号幅值测量范围等分成m层幅值区间，并根据待处理随机信号幅值测量范围和m层幅值区间设置m个参考电平并相应提供给m级并联比较器；2)m级并联比较器接收m个参考电平和待测信号，并输出m个比较输出信号；3)将相邻的两个比较输出信号进行异或处理，得到含有待测信号幅值落在各层幅值区间的时间宽度和时间宽度出现次数信息的分层信号，分别统计获得观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值，并上传至计算机；4)计算机根据观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值绘制平均速率分布直方图和幅度概率分布图。

一种深海钻井气侵检测信号处理电路，它包括一幅值分层与识别模块、一计数测量模块和一处理显示模块；所述幅值分层与识别模块包括一参考电平电路、一比较器电路和一异或门电路，其中，比较器电路包括m个比较器，异或门电路包括m个异或门；每一所述比较器的负向输入端连接所述参考电平电路的相应输出端，每一所述比较器的正向输入端连接待测信号输出端，每一所述比较器的输出端分别连接每一异或门的输入端，每一异或门的输出端连接所述计数测量模块，所述计数测量模块统计获得观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值，并发送给所述处理显示模块，所述处理显示模块对观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值进行处理，并绘制平均速率分布直方图和幅度概率分布图。

所述计数测量模块包括m个时间计数器、m个事件计数器和一数据编码电路；每一所述时间计数器的输入端连接每一所述异或门的输出端，每一所述时间计数器的输出端连接所述数据编码电路的输入端，每一所述事件计数器的输入端连接每一所述异或门的输出端，每一所述事件计数器的输出端连接所述数据编码电路的输入端，所述数据编码电路的输出端连接所述处理显示模块。

所述参考电平电路包括一基准电压芯片、一第一放大器、一第二放大器、一分压电路和第一～第六电阻；其中，所述分压电路包括m个串联连接的等阻值的精密电阻；所述第一放大器的负向输入端通过所述第一电阻接地，所述第一放大器的正向输入端通过所述第二电阻连接所述基准电压芯片的输出端，所述第一放大器的输出端通过所述第三电阻连接所述第一放大器的反向输入端，所述第一放大器的输出端还通过所述第四电阻连接所述第二放大器的反向输入端，所述第二放大器的正向输入端通过所述第五电阻接地，所述第二放大器的输出端通过所述第六电阻连接所述第二放大器的负向输入端，所述第二放大器的输出端和第一放大器的输出端之间连接所述分压电路。

所述待测信号通过一隔直电容发送到一电压跟随器的输入端，所述电压跟随器的输入端通过一第七电阻接地，所述电压跟随器的输出端连接m个所述比较器的正向输入端，每一所述比较器的负向输入端连接每一所述精密电阻的输出端，每相邻两个所述比较器输出端连接一所述异或门的输入端，每一所述异或门的输出端均连接所述计数测量模块。

所述处理显示模块包括一串口接收模块、一数据解码模块和一图形绘制模块；所述串口接收模块接收所述计数测量模块的串口发送模块发送的所有数据，并将所有数据发送给所述数据解码模块，所述数据解码模块对所有数据进行解码后，得到观测时间内待测信号幅值落在各层幅值区间的时间值和总次数值，并将时间值和总次数值发送给所述图形绘制模块，所述图形绘制模块根据时间值和总次数值及其对应所在幅值区间层编号绘制待测信号的幅度概率分布图和平均速率分布的直方图。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于随机信号的幅值域分析方法将待处理随机信号幅值测量范围等分成若干个幅值区间，并通过设置并联比较器电路、异或门电路和计数测量模块获得待处理随机信号幅值落在每一幅值区间的概率和速率，进而能够对随机信号进行快速、实时分析处理。2、本发明通过设置并联比较器，因此使得待处理随机信号和各个参考电平的比较过程是并行的，进而保证了测量的实时性以及较高的精度。3、本发明所需幅度分层的参考电平由精密电阻串联分压形成，因此保证了幅度分层精度。4、本发明由于设置电压跟随器，因此有效消除了待处理随机信号的负载影响。5、本发明由于在电压跟随器的输入端设置隔直电容，因此有效滤除了无效直流成分的影响。本发明采用模拟电路和数字电路混合实现随机信号处理分析，不仅在工作环境上更具可行性，而且比软件实现随机信号处理分析速度更快，精度更高，可以广泛应用于对含有各种噪声的复杂信号分析处理以及微弱信号检测领域。

附图说明

图1是本发明对待测信号分层处理的原理示意图，其中，包括两对横坐标和纵坐标，第一横坐标表示时间，单位为秒，第一纵坐标表示幅值，单位为伏特，第二纵坐标表示分层数，单位为个，第二横坐标表示时间，单位为秒；

图2是本发明的待测信号波形示意图，其中，横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示幅值，单位为伏特；

图3是本发明的待测信号幅值x(t)落在第i层幅值区间内的总次数值和时间值的获取过程示意图，其中，横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示幅值，单位为秒；

图4是本发明的平均速率分布的直方图，其中，横坐标表示幅值区间，单位为伏特，纵坐标表示平均时间计数值，单位为个；

图5是本发明的幅度概率分布示意图，其中，横坐标表示幅值区间，单位为伏特，纵坐标表示时间计数值，单位为个；

图6是本发明的组成结构方框图；

图7是本发明的参考电平电路示意图；

图8是本发明的比较器及异或门电路的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

随机信号的幅值域分析是对随机信号进行统计分析的重要内容，随机信号的幅值落在指定区间内的概率可用随机信号的概率密度函数表示。如图1所示，随机信号的幅值x(t)落在第i层幅值区间(x_i,x_i+Δx)内的时间值为T_i，时间值T_i的计算公式如下：

$T_i={\mathrm{\Δt}}_{i1}+{\mathrm{\Δt}}_{i2}+...+{\mathrm{\Δt}}_{{\mathrm{iN}}_i}=\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Σ}}{\mathrm{\Δt}}_{ij}---\left(1\right)$

式中，T_i表示随机信号的幅值落在第i层幅值区间内的时间值；Δt_i1表示随机信号的幅值落在第i层幅值区间内的第1个时段；Δt_i2表示随机信号的幅值落在第i层幅值区间内的第2个时段；表示随机信号的幅值落在第i层幅值区间内的第N_i个时段，其中N_i表示随机信号的幅值落在第i层幅值区间内的总次数值；Δt_ij表示信号幅值落在第i层幅值区间内的第j个时段；其中，j＝1,2...N_i；

基于上述条件，随机信号的幅值x(t)落在第i层幅值区间(x_i,x_i+Δx)内的概率如下：

$P[x_i<x\left(t\right)<x_i+\mathrm{\&Delta;x}]=\frac{T_i}{T}---\left(2\right)$

式中，T表示观测时间；x_i表示第i层幅值区间的下限；x_i+Δx表示第i层幅值区间的上限；

基于随机信号的幅值域分析原理提出本发明的深海钻井气侵检测信号处理方法及处理电路。

本发明的深海钻井气侵检测信号处理方法包括以下步骤：

1、先将待处理随机信号幅值测量范围[a,b]等分成m层幅值区间，m的取值根据分析的实际情况进行确定，本实施例中，m取值为64；再通过对基准电压进行放大处理分别得到待处理随机信号幅值的测量下限a和待处理随机信号幅值的测量上限b；最后采用m个等阻值精密电阻串联将待处理随机信号幅值的测量下限a到待处理随机信号幅值测量的上限b之间的电平均分成m份，m份的分界点电平一一对应为m级并联比较器提供参考电平，其中，将待处理随机信号幅值的测量范围[a,b]等分成m层幅值区间，每层待处理随机信号幅值区间宽度为：

$\mathrm{\&Delta;}x=\frac{b-a}{m}---\left(3\right)$

式中，Δx表示每层待处理随机信号幅值区间宽度；b表示待处理随机信号幅值测量的上限；a表示待处理随机信号幅值的测量下限；m表示在幅值测量范围内的分层份数；

为了便于研究和计算，本实施例中，待处理随机信号幅值测量的上限b等于待处理随机信号幅值的测量下限a的绝对值，即b＝|a|，进而根据式(3)得到待处理随机信号幅值测量的上限b的计算公式、待处理随机信号幅值的测量下限a的计算公式、第i层的幅值区间[x_i,x_i+Δx]的幅值的计算公式和第i层的幅值区间[x_i,x_i+Δx]中i的取值范围，其中，待处理随机信号幅值的测量下限a的计算公式如下：

$a=-\frac{m}{2}\mathrm{\&Delta;}x---\left(4\right)$

待处理随机信号幅值测量的上限b的计算公式如下：

$b=\frac{m}{2}\mathrm{\&Delta;}x---\left(5\right)$

第i层的幅值区间[x_i,x_i+Δx]的幅值的计算公式如下：

x_i＝iΔx (6)

式中，x_i表示第i层幅值区间的下限(即以第i层幅值区间的下限表示第i层幅值)；i表示层数；

第i层的幅值区间[x_i,x_i+Δx]中i的取值范围为

如图2所示，本实施例中，待处理随机信号幅值的测量范围为(-5V,+5V)，等分成64层，即a＝-5V,b＝5V,m＝64，则每层待处理随机信号幅值区间宽度为：

Δx＝10V/64＝0.15625V

先对基准电压+2.5V进行同向放大，放大倍数为2，得到待处理随机信号幅值测量的上限+5V；再对放大电路得到的+5V进行反向放大得到待处理随机信号幅值的测量下限-5V；最后采用64个等阻值精密电阻串联将+5V到-5V之间的电平均分成64层幅值区间，64层幅值区间的分界点电平一一对应为64级并联比较器提供参考电平，其中，各层幅值区间分界点的参考电平Vref_i为对应各层幅值区间的幅值，通过式(6)计算得出分别为-5V,-4.84375V,...,0V,...4.84375V,5V；

2、m级并联比较器的反向输入端分别接收m份分界点电平作为参考电平，m级并联比较器的正向输入端分别接收待测信号，待测信号同时与m个参考电平进行比较，并在m级并联比较器的输出端同时得到m个比较输出信号，由于比较过程是并行的，因此保证了测量的实时性以及较高的精度；

3、如图3所示，对各幅值区间上限比较器C_i+1和下限比较器C_i输出信号进行异或处理，得到含有待测信号幅值x(t)落在各层幅值区间的时间宽度和时间宽度出现次数信息的分层信号CH_i，利用每一层幅值区间的时间宽度做开门信号，并通过一时间计数器统计该层幅值区间的时间宽度内的标准钟，以获得n_i个时钟，进而获得观测时间值T内待测信号幅值x(t)落在该幅值区间内的时间值，与此同时，通过一事件计数器统计该层幅值区间的时间宽度出现次数，以获得观测时间值T内待测信号幅值x(t)落在该幅值区间内的总次数值N_i，其中，观测时间值T内待测信号幅值x(t)落在第i层幅值区间内的时间值T_i公式如下：

T_i＝n_i·t₀ (7)

式中，n_i表示时钟个数；t₀表示标准时钟周期；

4、分别对应每一幅值区间所在层的编号，对观测时间值T内待测信号幅值x(t)落在该幅值区间的时间值和总次数值进行编号，并按编号依次上传至计算机，计算机分别计算观测时间内待测信号幅值落在每层幅值区间内的平均时间值，并分别以观测时间T内待测信号幅值x(t)落在每层幅值区间内的平均时间值和时间值为纵坐标，以该层幅值区间所在层的编号为横坐标，分别绘制平均速率分布的直方图(如图4所示)和幅度概率分布图(如图5所示)，其中平均速率分布的直方图反映出幅值变化速率，其值越大，说明信号在此幅值区间变化越慢；幅度概率分布图能说明信号幅值在每个幅值区间出现的概率，其中，观测时间T内待测信号幅值x(t)落在第i层幅值区间(x_i,x_i+Δx)内的平均时间值计算公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{T_i}=\frac{T_i}{N_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;t}}_{ij}}{N_i},i=-\frac{m}{2},-\frac{m}{2}+1...\frac{m}{2}-1,\frac{m}{2}---\left(8\right)$

式中，表示观测时间内待测信号幅值落在第i层幅值区间内的平均时间值。

如图6所示，基于上述的深海钻井气侵检测信号处理方法，提出本发明的深海钻井气侵检测信号处理电路，它包括一幅值分层与识别模块1、一计数测量模块2和一处理显示模块3；幅值分层与识别模块1包括一参考电平电路11、一比较器电路12和一异或门电路13；

参考电平电路11产生m个参考电平，同时确定待处理随机信号幅值测量范围的m层幅值区间，并将m个参考电平发送给比较器电路12，比较器电路12包括m个比较器121，且每一比较器121的负向输入端分别接收一参考电平，每一比较器121的正向输入端接收待测信号，待测信号与每一参考电平分别进行比较后产生m个比较输出信号，m个比较输出信号发送到异或门电路13，异或门电路13包括m个异或门131，m个异或门131一一对应接收m个比较输出信号，并对相邻的两个比较输出信号进行异或处理，以得到含有待测信号幅值落在各层幅值区间的时间宽度和时间宽度出现次数信息的分层信号，并将分层信号发送给计数测量模块2；

计数测量模块2包括m个时间计数器21、m个事件计数器22和一数据编码电路23；每一时间计数器21统计每一幅值区间的时间宽度内的标准钟，进而获得m个时间值，每一事件计数器22统计每一幅值区间的时间宽度出现次数，进而获得m个总次数值，将m个时间值和m个总次数值发送给数据编码电路23，数据编码电路23按照每一幅值区间所在层的编号，对该幅值区间统计获得的时间值和总次数值进行编号，并将已编号的m个时间值和m个总次数值发送给处理显示模块3，处理显示模块3根据已编号的m个时间值和m个总次数值分别绘制出待测信号的幅度概率分布图和平均速率分布直方图。

在一个优选的实施例中，如图7所示，参考电平电路包括一基准电压芯片、两放大器、一分压电路111和电阻R1～R6；其中，基准电压芯片提供+2.5V基准电压，分压电路111包括m个串联连接的等阻值的精密电阻R7，R1的阻值为10k，R2的阻值为5.1k，R3的阻值为10k，R4的阻值为10k，R5的阻值为7k，R6的阻值为10k，R7的阻值为50Ω；

第一放大器112的负向输入端通过电阻R1接地，第一放大器112的正向输入端通过电阻R2连接基准电压芯片的输出端，第一放大器112的输出端通过电阻R3连接第一放大器112的反向输入端，第一放大器112的输出端还通过电阻R4连接第二放大器113的反向输入端，第二放大器113的正向输入端通过电阻R5接地，第二放大器113的输出端通过电阻R6连接第二放大器113的负向输入端，第二放大器113的输出端和第一放大器112的输出端之间连接分压电路111。

在一个优选的实施例中，如图8所示，待测信号通过一隔直电容14发送到一电压跟随器15的输入端，电压跟随器15的输入端通过一电阻R8接地，电压跟随器15的输出端连接m个比较器121的正向输入端，每一比较器121的负向输入端连接每一精密电阻R7的输出端，每相邻两个比较器121输出端连接一异或门131的输入端，每一异或门131的输出端均连接计数测量模块2。

在一个优选的实施例中，计数测量模块2还包括一串口发送模块24、一系统时钟电路25和一系统复位电路26；

串口发送模块24用于将数据编码电路23发送的已编号的m个时间值和m个总次数值发送给处理显示模块3，系统时钟电路25用于为串口发送模块24、m个时间计数器21和m个事件计数器22提供系统时钟，系统复位电路26用于为串口发送模块24、m个时间计数器21和m个事件计数器22提供系统复位信号。

在一个优选的实施例中，处理显示模块3包括一串口接收模块31、一数据解码模块32和一图形绘制模块33；串口接收模块31接收串口发送模块24发送的所有数据，并将所有数据发送给数据解码模块32，数据解码模块32对所有数据进行解码后，得到观测时间内待测信号幅值落在各层幅值区间的时间值和总次数值，并将时间值和总次数值发送给图形绘制模块33，图形绘制模块33根据时间值和总次数值及其对应所在幅值区间层编号绘制待测信号的幅度概率分布图和平均速率分布的直方图。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种深海钻井气侵检测信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待处理随机信号幅值测量范围等分成m层幅值区间，并根据待处理随机信号幅值测量范围和m层幅值区间设置m个参考电平并相应提供给m级并联比较器；

2)m级并联比较器接收m个参考电平和待测信号，并输出m个比较输出信号；

3)将相邻的两个比较输出信号进行异或处理，得到含有待测信号幅值落在各层幅值区间的时间宽度和时间宽度出现次数信息的分层信号，分别统计获得观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值，并上传至计算机；

4)计算机根据观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值绘制平均速率分布直方图和幅度概率分布图。

2.一种如权利要求1所述深海钻井气侵检测信号处理方法的处理电路，其特征在于：它包括一幅值分层与识别模块、一计数测量模块和一处理显示模块；所述幅值分层与识别模块包括一参考电平电路、一比较器电路和一异或门电路，其中，比较器电路包括m个比较器，异或门电路包括m个异或门；

每一所述比较器的负向输入端连接所述参考电平电路的相应输出端，每一所述比较器的正向输入端连接待测信号输出端，每一所述比较器的输出端分别连接每一异或门的输入端，每一异或门的输出端连接所述计数测量模块，所述计数测量模块统计获得观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值，并发送给所述处理显示模块，所述处理显示模块对观测时间值内待测信号幅值落在每一幅值区间的时间值和总次数值进行处理，并绘制平均速率分布直方图和幅度概率分布图。

3.如权利要求2所述深海钻井气侵检测信号处理电路，其特征在于：所述计数测量模块包括m个时间计数器、m个事件计数器和一数据编码电路；每一所述时间计数器的输入端连接每一所述异或门的输出端，每一所述时间计数器的输出端连接所述数据编码电路的输入端，每一所述事件计数器的输入端连接每一所述异或门的输出端，每一所述事件计数器的输出端连接所述数据编码电路的输入端，所述数据编码电路的输出端连接所述处理显示模块。

4.如权利要求2所述深海钻井气侵检测信号处理电路，其特征在于：所述参考电平电路包括一基准电压芯片、一第一放大器、一第二放大器、一分压电路和第一～第六电阻；其中，所述分压电路包括m个串联连接的等阻值的精密电阻；

所述第一放大器的负向输入端通过所述第一电阻接地，所述第一放大器的正向输入端通过所述第二电阻连接所述基准电压芯片的输出端，所述第一放大器的输出端通过所述第三电阻连接所述第一放大器的反向输入端，所述第一放大器的输出端还通过所述第四电阻连接所述第二放大器的反向输入端，所述第二放大器的正向输入端通过所述第五电阻接地，所述第二放大器的输出端通过所述第六电阻连接所述第二放大器的负向输入端，所述第二放大器的输出端和第一放大器的输出端之间连接所述分压电路。

5.如权利要求3所述深海钻井气侵检测信号处理电路，其特征在于：所述参考电平电路包括一基准电压芯片、一第一放大器、一第二放大器、一分压电路和第一～第六电阻；其中，所述分压电路包括m个串联连接的等阻值的精密电阻；

所述第一放大器的负向输入端通过所述第一电阻接地，所述第一放大器的正向输入端通过所述第二电阻连接所述基准电压芯片的输出端，所述第一放大器的输出端通过所述第三电阻连接所述第一放大器的反向输入端，所述第一放大器的输出端还通过所述第四电阻连接所述第二放大器的反向输入端，所述第二放大器的正向输入端通过所述第五电阻接地，所述第二放大器的输出端通过所述第六电阻连接所述第二放大器的负向输入端，所述第二放大器的输出端和第一放大器的输出端之间连接所述分压电路。

6.如权利要求4或5所述深海钻井气侵检测信号处理电路，其特征在于：所述待测信号通过一隔直电容发送到一电压跟随器的输入端，所述电压跟随器的输入端通过一第七电阻接地，所述电压跟随器的输出端连接m个所述比较器的正向输入端，每一所述比较器的负向输入端连接每一所述精密电阻的输出端，每相邻两个所述比较器输出端连接一所述异或门的输入端，每一所述异或门的输出端均连接所述计数测量模块。

7.如权利要求2或3或4或5所述深海钻井气侵检测信号处理电路，其特征在于：所述处理显示模块包括一串口接收模块、一数据解码模块和一图形绘制模块；所述串口接收模块接收所述计数测量模块的串口发送模块发送的所有数据，并将所有数据发送给所述数据解码模块，所述数据解码模块对所有数据进行解码后，得到观测时间内待测信号幅值落在各层幅值区间的时间值和总次数值，并将时间值和总次数值发送给所述图形绘制模块，所述图形绘制模块根据时间值和总次数值及其对应所在幅值区间层编号绘制待测信号的幅度概率分布图和平均速率分布的直方图。