CN108171159A - 一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法。在随钻测井系统中,泥浆泵等产生的多种噪声对有效信号的获取造成了干扰。本发明首先对随钻测井过程中产生的噪声进行分析,然后通过小波变换去噪,通过BP神经网络脉冲进行信号识别;去噪后获得频率在0~0.8Hz的有效信号,经过神经网络识别后得到数量相同且幅值为1的脉冲信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,属于随钻测井的技术领域。
背景技术
随钻测井技术(MWD:Measurement While Drilling),即以钻井液为传输介质,以钻井液压力脉冲为传输方式,进行井下数据测量的技术。随钻测井既能用于地质导向,指导钻进,又能对复杂井、复杂地层的含油气情况进行评价,已是世界各石油服务公司争相研究、不断推出新方法新技术的热点。近年来,各大服务公司纷纷推出了新型随钻测井数据传输系统,随钻测井的数据传输效率不断提升,对实时地层评价和地质导向更有利。
随钻测井技术以其经济可靠等优点迅速发展并得到广泛的应用。无线钻井液信息传输方式是将有用的测量信息利用特定的信号发生器调制成泥浆液的脉冲信号,实现脉冲信号在泥浆液中的传输。
根据脉冲信号产生的工作原理,传输方式可以分为,正脉冲压力波、负脉冲压力波和连续波。井下随钻测量系统设备产生的噪声、井底动力机械振动产生的噪声等都给获取有用信号造成了很大的困扰,如何能从充满着各种噪声的井下载波信号过滤出有用信号成为随钻测井技术中的重要课题。
中国专利授权公告号104783787B公开了一种基于神经网络的J波检测方法。本发明先获得J波综合征病人的Frank导联的高分辨率心电信号,对心电信号进行预处理,去除干扰和噪声,利用小波技术去除低频信号,形成幅值波形VM,然后对VM进行两种特征向量提取,这两种特征向量反映了J波的形态学特性,把两种特征向量输入到BP神经网络,利用神经网络进行对高分辨率心电图分类。上述J波检测方法是被应用到心电信号的技术领域,用于去除低频信号,无法实现对随钻测量信号的处理。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法。
发明概述:
在随钻测井系统中,泥浆泵等产生的多种噪声对有效信号的获取造成了干扰。本发明首先对随钻测井过程中产生的噪声进行分析,然后通过小波变换去噪,通过BP神经网络脉冲进行信号识别;去噪后获得频率在0~0.8Hz的有效信号,经过神经网络识别后得到数量相同且幅值为1的脉冲信号。
本发明的技术方案为:
一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,包括步骤如下:
1)对包含噪声的井下信号进行分析;通过快速傅里叶变换将时域信号变换为频域信号,得到信号的频率分布,进而得到有用信号频率分布和噪声信号频率分布,为滤波操作做准备;
2)通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪,得到去噪信号;
3)将步骤2)得到的去噪信号输入BP神经网络进行信号识别;BP神经网络的输入-输出模型为,
Y=F(∑(Input(n)·ωn)+b);
其中,Input(n)为输入,ωn为权值,b为阈值,Y为输出。
根据本发明优选的,本发明所述随钻测量信号处理方法采用信噪比SNR和均方根误差RMSE评价滤波效果;
其中,X(n)为包含噪声的井下信号,x(n)为有效信号,N为信号点数。
信噪比是体现了有效信号与噪声信号两者的比例关系,用来判断信号的噪声水平,SNR值越大,反映的去噪效果越好;均方根误差表示的是去噪后信号与原始信号偏差,值越小则表示处理效果越好。
根据本发明优选的,所述步骤2)中,通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪的具体方法为,在MATLAB中构建滤波器,选用小波去噪函数Wden;其中,参数‘sqtwolog’为固定阈值形式,参数‘mln’根据每一层小波分解得到的噪声水平估计进行调整。
进一步优选的,所述步骤2)中的滤波器选用‘bior5.5’作为小波基函数;滤波器的分解层数lev=10,选择软阈值处理方式。
根据本发明优选的,所述步骤3)中的BP神经网络为多层前馈神经网络,所述多层前馈神经网络包括输入层、隐含层和输出层;BP神经网络的传递函数为对数S型函数,即y=logsig(x);y∈(0,1);其中,x为任意输入数据,y为相应的输出数据,y的值域为0~1。
进一步优选的,
3.1)信号的前向传播过程:
3.1.1)隐含层第i个节点的输入其中,X1为输入层的输入,ωi,j为输入层的权值,i表示隐含层第i个节点,j表示输入层第j个节点;βn为隐含层的阈值,Y1为输出层的输出;n=1,2,3…M;
3.1.2)隐含层第i个节点的输出为Oi=θ(net(i));其中θ函数是BP神经网络的常用函数,是领域技术人员所熟知的。
3.1.3)输出层的输出Y1=φ[∑(Oi·ωk,i)+a1];k表示输出层第k个节点;Y1的取值范围为(0,1),a1为输出层的阈值;求和符号中的自变量ωk,i为隐含层与输出层之间的阈值,Oi为隐含层第i个节点的输出;其中,φ函数是BP神经网络的常用函数,是领域技术人员所熟知的。
3.2)误差的反向传播过程:
样本的二次型误差准则函数为Xc;
其中,Tk为输出层第k个节点的预期输出,Yk为输出层第k个节点的实际输出;根据输出层的预期输出和输出层的实际输出的差更新隐含层阈值βn。隐含层阈值βn的更新是通过matlab中的学习函数和训练函数实现的,是本领域技术人员所熟知的。
本发明的有益效果为:
1.本发明所述随钻测量信号处理方法,利用神经网络对泥浆脉冲信号进行识别,以信噪比SNR和均方误差根RMSE为判断滤波性能参数,具有高精度滤波,处理速度高效,信号识别能力强等突出优点;
2.在随钻测井过程中,由于特定的脉冲发生器和复杂的干扰源,有用信号频率较低,集中在0~1Hz,噪声信号频率较高且分布范围广;本发明所述随钻测量信号处理方法,可有效去除随钻测井过程中的高频信号,属于随钻测井系统的技术领域。
附图说明
图1为本发明所述随钻测量信号处理方法的流程图;
图2为实施例1中通过模拟井下参数获得的含噪信号的波形图;
其中,横坐标为时间,单位是毫秒(ms),纵坐标为信号幅值,单位伏特(V);采样频率为1024Hz,即两点之间的时间间隔为(1/1024)秒;总共为499999个点;
图3为实施例1中含噪信号经过滤波器滤波后的信号;从图中可以清晰地看到一系列的正脉冲,其中横坐标为时间,单位是毫秒(ms),纵坐标为信号幅值,单位伏特(V);
图4为实施例1通过模拟井下参数获得的含噪声信号的频谱图,其中横坐标为频率(单位:Hz);
图5为对实施例1中含噪信号滤波后信号的频谱图;其中横坐标为频率(单位:Hz);
图6为实施例1所述所述BP神经网络的输入-输出模型的示意图;
图7为实施例3所述多层前馈神经网络的示意图;
图8为经过滤波器滤波后得到的正脉冲输入信号;其中,横坐标为时间,单位是毫秒(ms),纵坐标为信号幅值,单位伏特(V);
图9为识别输出的脉冲信号;其中,横坐标为时间,单位是毫秒(ms),纵坐标为信号幅值,单位伏特(V)。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例1
如图1所示。
一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,对通过模拟井下参数获得的含噪信号进行处理,包括步骤如下:
1)对包含噪声的井下信号进行分析;通过快速傅里叶变换将时域信号变换为频域信号,得到信号的频率分布,进而得到有用信号频率分布和噪声信号频率分布,为滤波操作做准备;如图2、图4所示;通过观察图4可以看到,信号在频率0~0.8Hz(有用信号)、1.2Hz、2.3Hz、3.3Hz、4.4Hz以及6.5Hz周围均有信号;
2)通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪,得到去噪信号;通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪的具体方法为,在MATLAB中构建滤波器,选用小波去噪函数Wden;其中,参数‘sqtwolog’为固定阈值形式,参数‘mln’根据每一层小波分解得到的噪声水平估计进行调整;进一步的,所述滤波器选用‘bior5.5’作为小波基函数;滤波器的分解层数lev=10,选择软阈值处理方式;如图3、图5所示;通过观察图5可知,过滤后的信号仅在频率范围为0~0.8Hz内有信号,不存在其他频率的信号,达到了预期的滤波效果;
3)将步骤2)得到的去噪信号(如图8所示)输入BP神经网络进行信号识别;BP神经网络的输入-输出模型为,
Y=F(∑(Input(n)·ωn)+b);
其中,Input(n)为输入,ωn为权值,b为阈值,Y为输出;如图6、图9所示。随机选取一段经过BP神经网络进行脉冲识别,得到与输入信号中脉冲数量相同且幅值为1。
实施例2
如实施例1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,进一步的,所述步骤3)中的BP神经网络为多层前馈神经网络,所述多层前馈神经网络包括输入层、隐含层和输出层;BP神经网络的传递函数为对数S型函数,即y=logsig(x);y∈(0,1);其中,x为任意输入数据,y为相应的输出数据,y的值域为0~1。
实施例3
如图7所示。
如实施例2所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,进一步的,
3.1)信号的前向传播过程:
3.1.1)隐含层第i个节点的输入其中,X1为输入层的输入,ωi,j为输入层的权值,i表示隐含层第i个节点,j表示输入层第j个节点;βn为隐含层的阈值,Y1为输出层的输出;M=9;n=1,2,3…M;
3.1.2)隐含层第i个节点的输出为Oi=θ(net(i));
3.1.3)输出层的输出Y1=φ[∑(Oi·ωk,i)+a1];k表示输出层第k个节点;Y1的取值范围为(0,1),a1为输出层的阈值;求和符号中的自变量ωk,i为隐含层与输出层之间的阈值,Oi为隐含层第i个节点的输出;
3.2)误差的反向传播过程:
样本的二次型误差准则函数为Xc;
其中,Tk为输出层第k个节点的预期输出,Yk为输出层第k个节点的实际输出;根据输出层的预期输出和输出层的实际输出的差更新隐含层阈值βn。
实施例4
如实施例1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,进一步的,本发明所述随钻测量信号处理方法采用信噪比SNR和均方根误差RMSE评价滤波效果;
其中,X(n)为包含噪声的井下信号,x(n)为有效信号,N为信号点数。通过计算信噪比SNR和均方根误差RMSE可知经过本发明中所提出的滤波算法很好的滤除了噪声信号,符合预期的效果。尤其是均方根误差越接近于0,说明滤波效果越好。
Claims (6)
1.一种基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,包括步骤如下:
1)对包含噪声的井下信号进行分析;通过快速傅里叶变换将时域信号变换为频域信号,得到信号的频率分布,进而得到有用信号频率分布和噪声信号频率分布,为滤波操作做准备;
2)通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪,得到去噪信号;
3)将步骤2)得到的去噪信号输入BP神经网络进行信号识别;BP神经网络的输入-输出模型为,
Y=F(Σ(Input(n)·ωn)+b);
其中,Input(n)为输入,ωn为权值,b为阈值,Y为输出。
2.根据权利要求1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,本发明所述随钻测量信号处理方法采用信噪比SNR和均方根误差RMSE评价滤波效果;
其中,X(n)为包含噪声的井下信号,x(n)为有效信号,N为信号点数。
3.根据权利要求1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,所述步骤2)中,通过小波变换对包含噪声的井下信号进行去噪的具体方法为,在MATLAB中构建滤波器,选用小波去噪函数Wden;其中,参数‘sqtwolog’为固定阈值形式,参数‘mln’根据每一层小波分解得到的噪声水平估计进行调整。
4.根据权利要求1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,所述步骤2)中的滤波器选用‘bior5.5’作为小波基函数;滤波器的分解层数lev=10,选择软阈值处理方式。
5.根据权利要求1所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,所述步骤3)中的BP神经网络为多层前馈神经网络,所述多层前馈神经网络包括输入层、隐含层和输出层;BP神经网络的传递函数为对数S型函数,即y=logsig(x);y∈(0,1);其中,x为任意输入数据,y为相应的输出数据,y的值域为0~1。
6.根据权利要求5所述的基于小波去噪与神经网络识别的随钻测量信号处理方法,其特征在于,
3.1)信号的前向传播过程:
3.1.1)隐含层第i个节点的输入其中,X1为输入层的输入,ωi,j为输入层的权值,i表示隐含层第i个节点,j表示输入层第j个节点;βn为隐含层的阈值,Y1为输出层的输出;n=1,2,3…M;
3.1.2)隐含层第i个节点的输出为Oi=θ(net(i));
3.1.3)输出层的输出Y1=φ[∑(Oi·ωk,i)+a1];k表示输出层第k个节点;Y1的取值范围为(0,1),a1为输出层的阈值;求和符号中的自变量ωk,i为隐含层与输出层之间的阈值,Oi为隐含层第i个节点的输出;
3.2)误差的反向传播过程:
样本的二次型误差准则函数为Xc;
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