CN109283251A - 一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路，该信号处理电路包括：发射电路(1)、开关阵(2)、接收电路(3)和控制信号驱动电路(6)；所述的发射电路(1)采用脉冲发生器生成高压脉冲激励信号，用于激励超声相控阵中的换能器阵元发射超声波信号；所述的接收电路(3)用于对换能器阵元接收的回波信号进行滤波和放大处理；所述的开关阵(2)包括与超声相控阵中的各换能器阵元分别连接的若干个独立通道，用于选通需要发射和接收信号的换能器阵元；所述的控制信号驱动电路(6)通过输出的控制信号，控制发射电路(1)、开关阵(2)、接收电路(3)的运行。该信号处理电路具有集成度高、板卡布线简单、稳定性好及信噪比高的优点。

Description

一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路
技术领域
本发明涉及石油开采设备技术领域，具体涉及一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路。
背景技术
油井所处地下环境恶劣，井壁易产生裂缝、腐蚀、变形等损伤，从而造成安全隐患，缩短油井寿命，因此对于油井井壁的检测与防护具有非常重要的意义。超声井壁成像检测技术即是利用油井井壁反射回波幅度信息，以回波幅度图的形式直观地显示井壁状况，从而达到监测井壁质量的目的。作为超声井壁的一种成像检测设备，超声相控阵井壁成像检测技术由于具有无需探头旋转、聚焦点可调等优点，近年来得到了广泛的关注并具有广阔的应用前景。
超声相控发射与接收电路是超声相控阵井壁成像检测系统的极为重要的组成部分，其作用是产生高压脉冲激励换能器，并对由换能器接收的回波信号进行调理放大以便于后续的采集工作。但是，超声相控阵在实施井壁成像过程中存在的技术问题在于：1)油井对井壁检测设备的尺寸要求严格；2)相较于单发单收式井壁成像系统，相控阵通道数、阵元数众多，造成板卡布线复杂；3)在井下重泥浆衰减环境中，回波信号幅度小，接收回波信噪比低。以上这些技术问题都为井下超声相控阵井壁成像检测系统的发射与接收电路的设计增加了困难。
目前常采用的应用于井壁成像的超声发射电路多采用基于分立元件的电容充放电式电路，这样的电路虽然可以满足单发单收式井壁成像系统的超声发射需求，但对于相控阵井壁成像系统来说会占用过多板卡空间，造成布线复杂，影响系统的稳定性。另外，由于井下环境的复杂性，钻井液泥浆密度不均，造成了井下泥浆介质衰减系数的不一致性，采用目前井下超声接收电路常用的普通运放芯片很难保证井壁回波幅度处在同一电压范围内，影响井下数字采集系统的采样精度。
综上可知，超声相控阵井壁成像系统的原理特性决定了其对井下超声发射与接收电路的集成度、增益控制范围要求高，而且要求整个电路能够在高温高压下稳定工作，目前的超声发射与接收电路还不能满足上述要求。
发明内容
本发明的目的在于，针对在井下空间狭窄、重泥浆衰减环境中，因相控阵通道众多导致布线复杂的技术问题，设计了一种能够用于井下环境的高集成度超声相控阵的信号处理电路。本发明中的发射电路部分采用脉冲发生器取代传统的电容充放电式电路，提高了井下电路集成度，克服了由于井下空间狭窄、相控阵通道众多造成的板卡布线复杂、井下系统稳定性差的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路，该信号处理电路包括：发射电路、开关阵、接收电路和控制信号驱动电路；所述的发射电路采用脉冲发生器生成高压脉冲激励信号，用于激励超声相控阵中的换能器阵元发射超声波信号；所述的接收电路用于对换能器阵元接收的回波信号进行滤波和放大处理；所述的开关阵包括与超声相控阵中的各换能器阵元分别连接的若干个独立通道，用于选通需要发射和接收信号的换能器阵元；所述的控制信号驱动电路通过输出的控制信号，控制发射电路、开关阵、接收电路的运行。
作为上述技术方案的进一步改进，该信号处理电路还包括衰减电路，所述的衰减电路采集发射电路输出的高压脉冲激励信号，通过电压衰减获得供上位机检测的低压信号。
作为上述技术方案的进一步改进，该信号处理电路还包括模拟开关，所述的模拟开关通过控制信号驱动电路的控制，选择将接收电路输出的回波信号或衰减电路输出的低压信号发送至上位机。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的发射电路采用脉冲发生器芯片，其最高输出电压达±90V，内部集成发射开关、接收开关和4个独立发射通道；所述的发射开关和接收开关分别连接开关阵和接收电路；
所述的开关阵采用具有16个独立通道的高压开关阵芯片，所有独立通道均分为两组，分别连接于发射电路中的一个独立发射通道上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的接收电路采用有源低通滤波网络和双通道可变增益放大器，对回波信号进行低通滤波和增益放大处理。
作为上述技术方案的进一步改进，所述高压脉冲激励信号的脉冲宽度设置为换能器阵元中心频率对应周期的一半。
本发明的一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路优点在于：
本发明中的发射电路部分采用脉冲发生器取代传统的电容充放电式电路，提高了井下电路集成度，克服了由于井下空间狭窄、相控阵通道众多造成的板卡布线复杂、井下系统稳定性差的问题；接收电路部分采用低噪声的可控增益放大器，克服由于井下泥浆衰减造成的井壁回波信噪比低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路结构示意图。
图2为本发明实施例中的脉冲发生器的工作原理示意图。
图3为本发明实施例中的脉冲发生器与开关阵配合示意图。
图4为本发明实施例中的衰减电路结构示意图。
附图标记
1、发射电路 2、开关阵 3、接收电路
4、衰减电路 5、模拟开关 6、控制信号驱动电路
7、数字板接口 8、换能器接口
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路进行详细说明。
本发明提供的一种应用于井壁成像超声相控阵的信号处理电路。其中发射电路部分采用脉冲发生器取代传统的电容充放电式电路，接收电路部分采用低噪声的可控增益放大器提高回波接收的信噪比。本发明提供的发射电路能够满足相控阵换能器对高压激励信号的要求，接收电路具有理想的带内平整度，并且在使用状态下能够很好地检测出井壁回波信号，其检测结果与实际情况相符，能够应用于井下超声相控阵井壁成像检测系统的模拟前端中。
本发明所提供的信号处理电路的主要作用是，一方面接收数字电路输出的触发脉冲后产生高压脉冲信号，用于激励相控阵换能器阵元；另一方面对由换能器接收到的井壁回波信号进行调理放大，送至数字电路中的A/D转换器进行采样和处理，将处理的信号结果送至地面控制系统进行成像显示。如图1所示，所述的信号处理电路包括：发射电路1、开关阵2、接收电路3、控制信号驱动电路6。所述的发射电路1采用脉冲发生器生成高压脉冲激励信号，用于激励超声相控阵中的换能器阵元发射超声波信号；所述的接收电路3用于对换能器阵元接收的回波信号进行滤波和放大处理；所述的开关阵2包括与超声相控阵中的各换能器阵元分别连接的若干个独立通道，用于选通需要发射和接收信号的换能器阵元；所述的控制信号驱动电路6通过输出的控制信号，控制发射电路1、开关阵2、接收电路3的运行。
发射电路1的功能是提供多通道的相控发射高压激励信号。在本实例中，本发明采用高集成度的脉冲发生器芯片STHV748取代传统的电容充放电式发射电路，该芯片最高输出电压可达±90V，内部集成4个独立发射通道。假设相控阵系统独立通道数为n，为提供全部通道的高压发射脉冲则脉冲发生器所需片数为n/4，并可根据控制信号驱动电路6发射的数字控制脉冲控制，产生相应的不同频率、幅度、相位延时的高压信号。脉冲发生器的工作原理如图2所示，通过输入两路相位差为180°的数字控制脉冲对(IN1、IN2)来产生一路高压脉冲信号(XDCR)。
由于超声检测信号的幅度变化和激励信号的脉冲宽度成线性关系，当激励信号的脉冲宽度为换能器中心频率对应周期的1/2时，即激励信号的脉冲宽度表示为：
上式中，τ为激励信号脉冲宽度，f0为换能器中心频率，此时检测信号的幅度达到最大值。因此，在实际检测系统工作时应设置激励信号的脉冲宽度参数为换能器中心频率对应周期的1/2。
假设系统采用的相控阵换能器中心频率为500kHz，对应的发射脉冲周期宽度2μs(正负半周宽度均为1μs)，则由数字控制板产生n组脉冲宽度为1μs数字控制脉冲对，作为脉冲发生器的输入信号，即可满足换能器中心频率的要求。当更换不同中心频率的换能器时，只需通过上位机软件控制脉冲宽度即可。STHV748内部集成发射/接收开关，所述的发射开关和接收开关分别连接开关阵2和接收电路3，以便将高压脉冲与低压回波信号分开输出，因此在接收电路中免去了隔离电路的设计。
在回波接收时，发射/接收开关的作用是隔离高压激励信号与低压回波信号。通常是在接收回路中单独设计隔离电路，但由于脉冲发生器STHV748中集成发射/接收开关，则在本发明中不需要单独设计隔离电路，接收的回波经过STHV748的低压输出引脚直接送至接收回路进行后续处理。
开关阵2的功能是选通脉冲发生器产生的高压脉冲激励信号需要激励的换能器阵元，从而达到相控阵声束绕井周扫描的目的，发射电路产生高压脉冲后通过高压开关阵与相控阵换能器阵元相连。如图3所示，在本实施例中，所述开关阵采用具有16个独立通道的高压开关阵芯片MAX4968A进行发射通道与换能器阵元之间的切换连接，以达到通道复用的目的。16个独立通道均分为两组，分别连接于发射电路1中的一个独立发射通道上。开关阵芯片内部集成移位寄存器，由数字板产生的16位串行数据控制一片开关阵的16个通道。对于阵元总数为N的相控阵系统，所需的开关阵芯片数为N/16。图3示出了系统阵元总数N＝64、动态阵元(即独立通道)数n＝8时，脉冲发生器与开关阵之间的互联关系。控制开关阵输入的串行数据，第一次发射时选通激励1～8号阵元，第二次发射时选通激励2～9号阵元，以此类推进行64组阵元发射后即可实现相控聚焦声束的快速移动，实现对井壁的周向扫查。
接收电路3包括滤波电路和放大电路。受井下重衰减环境的影响，井壁反射回波幅度小，造成接收的回波信号信噪比低。为提高信噪比，先采用滤波电路滤除带外噪声再用低噪声放大器对回波信号进行放大。另外，不同井径的井壁反射回波幅度不同，通过调节放大器增益使得不同井壁反射回波幅度均处于数字板A/D转换器输入电压范围之内。在本实例中，滤波电路为以ADA4004-2为核心的有源低通滤波网络，放大电路部分选用AD600SQ进行放大。AD600SQ是双通道可变增益放大器，其低输入噪声的特性能够满足井壁回波信号处理过程中对信噪比的要求。AD600SQ的每个独立通道提供0dB～40dB的增益控制范围，且增益倍数与控制电压呈线性关系。将AD600SQ的两个通道串联可为相应的接收回路获得0～80dB的增益可控范围。另外，在AD600SQ的两个通道之间加入一个由RC网络构成的低通滤波器，以进一步滤除带外的高频噪声干扰。
在本实例中，所述的衰减电路可采用衰减Π型网络，其具体结构如图4所示，假设衰减Π型网络的电压衰减倍数为N＝(U1/U2)，特征阻抗为Zc，那么R1和R2的阻值可由下面公式计算得出：
如图1所示，本发明的信号处理电路还包括衰减电路4和模拟开关5。
衰减网络用于查看发射波形是否正常。由于井下仪器拆机需将仪器从井中吊起并拆卸掉承压外壳，为了方便在不拆机的条件下查看发射波形是否正常，进而对井下发射电路进行故障排除，本发明增加了高压发射波形的衰减电路的设计。衰减电路由简单的Π型电阻网络构成，将脉冲发生器输出的高压脉冲信号衰减40dB并经采样后送至上位机进行波形显示。
模拟开关5的功能为选择将衰减后的发射波形还是放大后的回波信号送至数字板进行处理。模拟开关5是二选一开关，输入1为回波放大信号，输入2为高压激励衰减信号。由于高压衰减信号不需要实时查看，只用于电路检测，这样的开关设计可以达到通道复用、节省引脚的目的。
控制信号驱动电路6的功能是接收从数字板发送过来的控制信号，提高其驱动能力，以驱动后级模拟芯片的控制输入端，包括对发射电路的激励、开关阵的阵元选通、接收电路的回波接收、衰减电路的信号衰减和模拟开关的控制。
如图1所示，所述的控制信号驱动电路6和模拟开关5可通过设置的数字板接口7与电路外部的数字电路板连接，通过数字板接口7接收数字控制信号，对超声发射与接收过程进行控制。
所述的开关阵2与超声相控阵之间可设置有换能器接口8，换能器接口8的功能是连接开关阵与相控阵换能器阵元，将发射的高压激励脉冲送至换能器，并将换能器接收的超声回波送至接收回路进行处理。
根据实际测试，本发明所设计的发射电路其发射脉冲宽度与上位机设置的数值一致，脉冲幅值±90V，能够满足相控阵换能器对高压激励信号的要求；所设计的接收电路在(0.2MHz，0.8MHz)范围内的带内平整度小于3dB，具有理想的带内平整度。因此，将本发明所设计的信号处理电路用于井壁回波检测当中，能够很好地检测出井壁回波信号，检测结果与实际情况相符。该电路工作稳定，能够应用于井下超声相控阵井壁成像检测系统的模拟前端中。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路包括：发射电路(1)、开关阵(2)、接收电路(3)和控制信号驱动电路(6)；所述的发射电路(1)采用脉冲发生器生成高压脉冲激励信号，用于激励超声相控阵中的换能器阵元发射超声波信号；所述的接收电路(3)用于对换能器阵元接收的回波信号进行滤波和放大处理；所述的开关阵(2)包括与超声相控阵中的各换能器阵元分别连接的若干个独立通道，用于选通需要发射和接收信号的换能器阵元；所述的控制信号驱动电路(6)通过输出的控制信号，控制发射电路(1)、开关阵(2)、接收电路(3)的运行。
2.根据权利要求1所述的井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路还包括衰减电路(4)，所述的衰减电路(4)采集发射电路(1)输出的高压脉冲激励信号，通过电压衰减获得供上位机检测的低压信号。
3.根据权利要求2所述的井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，该信号处理电路还包括模拟开关(5)，所述的模拟开关(5)通过控制信号驱动电路(6)的控制，选择将接收电路(3)输出的回波信号或衰减电路(4)输出的低压信号发送至上位机。
4.根据权利要求1所述的井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，所述的发射电路(1)采用脉冲发生器芯片，其最高输出电压达±90V，内部集成发射开关、接收开关和4个独立发射通道；所述的发射开关和接收开关分别连接开关阵(2)和接收电路(3)；
所述的开关阵(2)采用具有16个独立通道的高压开关阵芯片，所有独立通道均分为两组，分别连接于发射电路(1)中的一个独立发射通道上。
5.根据权利要求1所述的井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，所述的接收电路(3)采用有源低通滤波网络和双通道可变增益放大器，对回波信号进行低通滤波和增益放大处理。
6.根据权利要求1所述的井壁成像超声相控阵的信号处理电路，其特征在于，所述高压脉冲激励信号的脉冲宽度设置为换能器阵元中心频率对应周期的一半。
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