CN111155982B

CN111155982B - 一种多频电阻率测量方法

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Publication number: CN111155982B
Application number: CN202010005671.2A
Authority: CN
Inventors: 管国云; 聂在平; 孙向阳
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111155982A

Abstract

本发明公开了一种多频电阻率测量方法，涉及电阻率测井技术领域，在保证信号足够测量精度的条件下能够实现多个频率同时测量。本发明通过对多频率的混合波形进行采样拟合，结合数字DPSP运算，分离出各种频率信号的波形，对单一频率的信号进行正交分离，求出各频率信号的相位差与幅度比，最后得出地层不同频率下探测的电阻率信息。本发明通过多频同时测量的方式来提高仪器测量效率与测量时效性，同时也可以在一定程度上降低系统功耗。

Description

一种多频电阻率测量方法

技术领域

本发明属于电阻率测井技术领域，具体涉及一种多频电阻率测量方法的设计。

背景技术

目前，随着电阻率测井技术日新月异的发展，目前大部分测井领域仪器系统都是单频分时测量，采用切换不同的频率来实现对地层的探测。比如，随钻测井仪中采用3个频率来进行测量，分别为2MHz、400KHz、100KHz，探测过程中交替切换不同频率来实现多频的测量。测井仪器本身具有多个发射天线与接收天线，任何时刻只允许有一个发射天线处于发射状态，发射线圈交替轮流发射。如果发射频率有多个，那么采用多频分时发射的同时，发射天线也需要分时切换，完成一个完整的测量周期势必需要很长时间。

因此传统的多频分时测井仪器在下井测量时就有几个缺点：(1)如果钻井速度快，那么很有可能因为在切换频率时，导致某个频率测量会反演不出地层的变化，因为仪器在不停钻探，发射频率与发射通道来回切换时，对于某一个频率某个发射通道来说，测量的过程不是连续的而是间断的。比如：T1发射通道的2MHz发射信号测量完成后要等到2MHz剩下的发射通道以及所有发射通道的400KHz以及100KHz信号都测完后才能再次轮到T1发射通道2MHz信号的测量。那么在其他发射通道与发射频率的测量过程中，钻井仪器是在持续钻探中的，势必会有一定的位移，那么T1通道的2MHz测量信号对于地层的探测来说是不连续的，如果中间持续时间过久，这样势必会带来一些测量的误差，加大了后期数据的反演与运算量。(2)分时测量比较费时间，频率多了，每个频率都需要交替发射一遍，时间上有些浪费，测量时效性差，且分时测量有效功率浪费严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统多频分时测井仪器存在的问题，提出了一种多频电阻率测量方法，通过多频同时测量的方式来提高仪器测量效率与测量时效性，同时也可以在一定程度上降低系统功耗。

本发明的技术方案为：一种多频电阻率测量方法，包括以下步骤：

S1、给多频电阻率测量装置上电，并进行初始化和自检。

S2、令多频电阻率测量装置待机，并等待接收指令。

S3、判断接收到的指令是否为启动测量指令，若是则进入步骤S4，否则按指令要求执行相关操作，并返回步骤S2。

S4、通过测量及发射控制板上的DSP主控制器使能多个第一DDS数字频率合成器产生不同频率的发射信号，并通过第一合路器将多路不同频率的发射信号整合成一路混合信号。

S5、通过DSP主控制器使能m路发射通道控制开关组将T_i发射通道的+32V电源开通，同时将混合信号接入至T_i发射通道的功率放大电路的输入端，使T_i发射通道处于发射状态；其中计数值i的初值为1。

S6、在FPGA主控制器中生成参数和指令，并通过n个LVDS通讯接口发送至n个接收板的FPGA芯片。

S7、通过FPGA芯片使能多个第二DDS数字频率合成器产生与各个频率的发射信号频率相近的本振信号，同时开启接收天线接收发射信号经过地层后的回波信号。

S8、在接收板中根据回波信号和本振信号得到ADC采样数据，并通过LVDS通讯接口实时将ADC采样数据回传至FPGA主控制器中做累加处理。

S9、测量叠加周期完成后，通过FPGA主控制器通知各接收板停止接收与采样，并通过DSP主控制器关闭T_i发射通道的信号及电源的输入。

S10、通过DSP主控制器对FPGA主控制器累加后的数据进行DPSD数字相敏检波运算，得到每个频率信号的原始相位与幅值。

S11、判断计数值i是否等于m，若是则完成所有发射通道的发射与测量，进入步骤S12，否则令计数值i加1，返回步骤S5。

S12、根据每个频率信号的原始相位与幅值，通过DSP主控制器采用发射与接收天线对称补偿原理计算得到各对称通道的相位差与幅度比数据，进而得到地层不同频率下探测的电阻率信息，并将其作为最终测量结果与原始测量数据以及中间数据一同打包发送给通讯存储板。

S13、由通讯存储板将接收到的测量数据存储在Flash大容量存储芯片组中，以备后期读取与地面数据分析反演，完成一个测量周期，返回步骤S2继续等待接收指令。

进一步地，步骤S3中的相关操作包括仪器状态查询、内存数据读取、Flash格式化和参数配置。

进一步地，步骤S8包括以下分步骤：

S81、通过2级低噪声放大器对接收的回波信号进行2级低噪声放大，输出放大后的接收信号。

S82、通过第二合路器将多路不同频率的本振信号整合成一路混合本振信号。

S83、将出放大后的接收信号和混合本振信号输入混频器中进行混频相减，得到不同频率组合的谐波分量。

S84、通过带通滤波器对不同频率组合的谐波分量进行带通滤波，得到混合后的中频信号。

S85、通过程控运算放大器对混合后的中频信号进行程控运算放大处理。

S86、通过高精度ADC对程控运算放大处理后的中频信号进行模数转换及实时采样，得到ADC采样数据。

S87、通过LVDS通讯接口实时将ADC采样数据回传至FPGA主控制器中做累加处理。

进一步地，步骤S81中进行2级低噪声放大的前一级放大倍数为40倍，后一级放大倍数为5倍。

进一步地，接收板的数量n为偶数，发射通道的数量m为偶数。

进一步地，第一DDS数字频率合成器与第二DDS数字频率合成器数量相同。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在测井时实现多频同时测量，在硬件电路上只需要增加几片DDS数字频率合成器及相关的合路器电路即可，其他地方电路无需改动，就能从以前的单频分时测量升级为多频同时测量。

(2)本发明有效解决了现有测井技术只能实现单频分时发射，从而存在时效性差的问题，在效率与节能降耗方面更优秀。

(3)本发明解决了现有测井技术对于多频测量存在频率控制需要来回切换的问题，每个DDS数字频率合成器只负责一个频率，因此只需要上电初始化一次就行，之后的测量过程只是对控制开关组进行交替切换，当测量装置休眠或低功耗待机时，将DDS数字频率合成器休眠即可，因此每个DDS数字频率合成器只需要仪器上电时配置一次即可，并不需要不停的对DDS数字频率合成器进行各种频率字操作控制，操作更加简单高效。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种多频电阻率测量装置结构框图。

图2所示为本发明实施例一提供的发射及控制电路结构框图。

图3所示为本发明实施例一提供的接收板结构框图。

图4所示为本发明实施例一提供的发射与接收线圈结构图。

图5所示为本发明实施例二提供的一种多频电阻率测量方法流程图。

图6所示为本发明实施例二提供的3频率发射信号波形图。

图7所示为本发明实施例二提供的3频率发射信号合成后的混合信号波形图。

图8所示为本发明实施例二提供的3频率中频信号合成后的混合信号波形图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

为使本发明的技术方案更加清楚、完整，在介绍本发明提供的多频电阻率测量方法之前，首先以实施例一对多频电阻率测量方法对应测量装置做详细介绍：

实施例一：

本发明实施例提供了一种多频电阻率测量装置，如图1所示，包括测量及发射控制板、电源模块、通讯存储板以及n个接收板，测量及发射控制板通过n个LVDS通讯接口分别与n个接收板一一对应连接，测量及发射控制板通过RS485接口与通讯存储板连接，电源模块的输入端与地面中控系统连接，其输出端分别与测量及发射控制板、通讯存储板以及每个接收板连接，通讯存储板还与地面中控系统连接。

测量及发射控制板包括FPGA主控制器、DSP主控制器、发射及控制电路、温度传感器和外围电路。

DSP主控制器与发射及控制电路连接，用于控制发射及控制电路产生多个频率的发射信号；DSP主控制器通过内部总线与FPGA主控制器连接，用于对FPGA主控制器输出的累加运算结果进行DPSD数字相敏检波运算，得到各频率信号的电阻率数据；DSP主控制器通过RS485接口与通讯存储板连接，用于将接收板传输过来的实时测量数据与计算得到的最终测量结果发送至通讯存储板上进行打包存储。

本发明实施例中，DSP主控制器优选DSP28377PTP耐高温型号，该处理器是一款TI高性能TMS320C28x系列32位浮点DSP双核心处理器，主频率高达200MHz，具有很强的数字信号处理及DPSD运算能力。DSP主控制器控制几个第一DDS数字频率合成器的输出，可以单独调节各第一DDS数字频率合成器输出信号的频率及幅度大小。

FPGA主控制器通过n个LVDS通讯接口分别与n个接收板一一对应连接，用于给各接收板传送命令、复位信号、同步时钟以及48KHz采样时钟，保证每个接收板的通道在对地层电磁波信号的接收与处理处于同一时刻，做到时序上的同步，并接收各接收板经ADC采样后的数据并进行累加运算。

温度传感器通过SPI接口与DSP主控制器连接，用于感应测量及发射控制板的温度并将其发送至DSP主控制器，并与测量数据一并发送到通讯存储板上进行存储，用于后期地面做数据的温度校正。

外围电路分别与FPGA主控制器以及DSP主控制器连接。本发明实施例中，外围电路包括电源滤波及退耦电容、时钟晶振、看门狗复位电路等。

如图2所示，发射及控制电路包括多个第一DDS数字频率合成器、第一合路器、m路发射通道控制开关组以及m路发射通道。

每个第一DDS数字频率合成器均与DSP主控制器连接，用于在DSP主控制器的控制下产生不同频率的发射信号。本发明实施例中，第一DDS数字频率合成器优选DDS-AD9852型号，发射信号的频率包括2MHz、400KHz和100KHz。

第一合路器的输入端与每个第一DDS数字频率合成器的输出端连接，用于将多路不同频率的发射信号整合成一路混合信号进行输出，且输入不受输出的影响。

每路发射通道结构相同，均包括依次连接的功率放大电路和发射天线，功率放大电路用于对第一合路器输出的混合信号进行功率放大，发射天线用于根据功率放大后的混合信号激励起电磁场并向外辐射电磁波信号。

m路发射通道控制开关组分别与DSP主控制器、第一合路器的输出端以及每一路发射通道中功率放大电路的输入端连接，用于使能某个发射通道的开关，将+32V电源接通至该通道的功率放大电路中，同时将发射信号接通到该功率放大电路的输入端，使得该发射通道开启发射。

本发明实施例中，任何时候只有一个发射通道处于发射工作状态，其他发射通道关闭，这样就使得发射通道交替轮流发射，不会出现多通道同时发射的可能。

如图3所示，每个接收板结构相同，均包括FPGA芯片、多个第二DDS数字频率合成器、第二合路器、接收天线、2级低噪声放大器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器以及高精度ADC。

每个第二DDS数字频率合成器均与FPGA芯片连接，用于在FPGA芯片的控制下产生不同频率的本振信号。本发明实施例中，第二DDS数字频率合成器优选DDS-AD9837型号，该型号芯片为串行数据接口，对IO口的需求较少，可以任意设置输出信号的频率以及相位。

第二合路器的输入端与每个第二DDS数字频率合成器的输出端连接，用于将多路不同频率的本振信号整合成一路混合本振信号进行输出。

接收天线用于接收测量及发射控制板发射电磁波信号经过地层后的回波信号。

2级低噪声放大器与接收天线连接，用于对回波信号进行2级低噪声放大，输出放大后的接收信号。

混频器的输入端分别与第二合路器的输出端以及2级低噪声放大器的输出端连接，用于对放大后的接收信号以及混合本振信号进行混频相减，得到不同频率组合的谐波分量。

带通滤波器的输入端与混频器的输出端连接，用于对不同频率组合的谐波分量进行带通滤波，得到混合后的中频信号。

程控运算放大器的输入端与带通滤波器的输出端连接，用于对混合后的中频信号进行程控运算放大处理。

高精度ADC的输入端与程控运算放大器的输出端连接，用于对程控运算放大处理后的中频信号进行模数转换及实时采样，得到ADC采样数据。

FPGA芯片与程控运算放大器连接，用于调节程控运算放大器的放大倍数；FPGA芯片还与高精度ADC连接，并通过LVDS通讯接口与FPGA主控制器连接，用于将高精度ADC输出的ADC采样数据通过LVDS通讯接口传输至FPGA主控制器进行累加运算。本发明实施例中，FPGA芯片优选采用高可靠性ACTEL公司的FPGA，该系列控制器具有很高的耐高温性能。

本发明实施例中，接收板的数量n为偶数，发射通道的数量m为偶数，其可以为双发双收，也可以4发4收或者4发两收，具体可以根据实际情况作增减，本发明实施例中优选4发4收的结构，如图4所示。

本发明实施例中，第一DDS数字频率合成器与第二DDS数字频率合成器数量相同，且等同于发射频率的数量，即第一DDS数字频率合成器产生多少个不同频率的发射信号，第二DDS数字频率合成器便产生与其对应数量的不同频率的本振信号。本振信号用于与接收信号进行混频处理，本振信号与发射信号相差一固定大小的频率，比如：发射信号为2MHz，那么与它所对应的本振信号应该为1.992MHz，经过混频后输出8KHz的中频信号；同理发射信号为400KHz，那么与它所对应的本振信号应该为394KHz，经过混频后输出6KHz的中频信号。同理发射信号为100KHz，那么与它所对应的本振信号应该为96KHz，经过混频后输出4KHz的中频信号。

本发明实施例中，2级低噪声放大器的前一级放大倍数为40倍，后一级放大倍数为5倍。

如图1所示，通讯存储板包括DSP从控制器、Flash大容量存储芯片组、RS485模块以及时钟RTC模块。DSP从控制器通过RS485接口与DSP主控制器连接，用于接收实时测量数据与最终测量结果。

Flash大容量存储芯片组与DSP从控制器连接，用于对接收到的实时测量数据与最终测量结果进行存储。RS485模块分别与DSP从控制器以及地面中控系统连接，用于接收来自地面中控系统的各种控制指令，并执行相关操作。

时钟RTC模块与DSP从控制器连接，用于为整个测量装置提供内部时钟，同时为每次的数据保存提供时间参考。

本发明实施例中，电源模块用于为整个测量装置提供适配电源，其输入为+32V，其输出包括+3.3V、+5VD、±5VA、+1.5V和+1.8V。

现结合图1～图4对本发明实施例提供的一种多频电阻率测量装置的工作原理及过程作详细描述：

测量及发射控制板通过RS485总线与通讯存储板通讯，接收来之通讯存储板命令，当接收到启动测量指令时，测量及发射控制板通过控制第一DDS数字频率合成器，使其输出某一固定频率以及幅度大小的正弦波发射信号，多个第一DDS数字频率合成器输出不同频率不同幅度的正弦波发射信号再经过第一合路器整合成一混合发射信号。该第一合路器也可以对整合后的信号放大，放大倍数一般选择1-3倍。由于测量装置有4个发射天线，任何时刻只允许一个发射通道处于发射状态，因此需要4路发射通道控制开关组，分别控制4个功率发射通道的电源及信号的输入，轮流交替开启发射。首先T1通道开启发射，32V电源被接通到功率放大电路中，混合发射信号也被输出至功率放大电路的输入侧，经过两级放大后输出至发射线圈T1，通过线圈激励起电磁场并向外辐射电磁波；T1发射完成后，关闭T1通道的开关然后开启T2通道发射，直到最后T4发射并检测完成后，表示一个的测量周期完成，此时关闭32V总电源的输入，所有发射通道信号输入也一并关闭。当将接收到的数据进行DPSD处理完成并上传保存后，此时DSP主控制器处于待机状态，继续等待接收启动测量指令然后再执行下一个测量周期。

接收板主要由FPGA芯片以及信号接收调理采集电路组成，接收天线接收来自地层中的电磁回波信号并在线圈上产生感应电动势，该信号的频率特型与发射信号一致，但是信号幅度比较微弱，通常为微伏级或小到几十纳伏，因此需要对其进行低噪声放大处理，采用前后2级低噪声放大，前一级放大倍数为40倍左右，后一级为5倍，因此2级低噪声放大总共为200倍。由于发射信号具有多个频率成分组成，而且频率成分跨度比较大，本发明实施例中为了能使其转变成几个中频信号来方便检测，因此接收板需要输出同样的多个本振信号。FPGA芯片控制多个第二DDS数字频率合成器输出与发射信号频率相近的本振信号，经过第二合路器整合成一混合本振信号，然后与接收信号一起输出至混频器中，通过在混频器相减后得到各种频率的波形分量，这时再通过带通滤波器，将高频与低频的杂波信号一并滤除，于是只剩下几个中频信号，如4KHz、6KHz、8KHz信号。然后对这几个中频混合信号进行程控运算放大，放大倍数可以根据实际情况通过程序来进行设置调节，最终放大后的信号被传输至高精度ADC的输入端，由ADC进行模数转换。

在启动测量后，当某个发射通道开启发射时，4个接收板都是同时启动接收与模数转换与采样。接收板上的FPGA芯片通过LVDS通讯接口与测量及发射控制板上的FPGA主控制器相连，接收同步时钟与采样时钟以及复位信号，基本可以确保4个接收板的动作处于一致状态，保证了测量时序上的同步，与此同时LVDS通讯接口又可以作为通讯使用，用来传送命令或上传采样数据。4个接收板上的FPGA芯片控制高精度ADC以48KHz的采样频率对调理放大后的中频混合信号进行采样，并将数据实时通过LVSDS通讯接口传输到测量及发射控制板的FPGA主控制器中，在FPGA主控制器中做累加运算处理并通过内部数据总线回传到DSP主控制器中作进一步的DPSD数字相敏检波运算。

DSP主控制器具有很强的数字信号处理及DPSD运算能力，它将数据进行SIN、COS换算，求出每个频率信号的实部虚部，计算得出各频率信号的相位与幅值，结合发射通道的对称补偿原理，最终得出每个频率信号的相位差与幅度比数据，进而得出地层不同频率下探测的电阻率信息。当完成一整周期测量后，DSP主控制器通过内部RS485总线将整个测量数据包括原始数据与中间数据以及最终结果数据一并打包发送给通讯存储板，由通讯存储板将所有数据存储在Flash大容量存储芯片组中保存以备后期的数据整体读取与地面数据分析与反演。

实施例二：

一种多频电阻率测量方法，如图5所示，包括以下步骤S1～S13：

S1、给多频电阻率测量装置上电，并进行初始化和自检。

S2、令多频电阻率测量装置待机，并等待接收指令。

本发明实施例中，相关操作包括仪器状态查询、内存数据读取、Flash格式化和参数配置。

本发明实施例中，发射信号包括2MHz、400KHz和100KHz三个频率的正弦波信号，如图6所示。通过第一合路器将其三路不同频率的发射信号整合成一路混合信号的波形如图7所示。

步骤S8包括以下分步骤S81～S87：

本发明实施例中，2级低噪声放大的前一级放大倍数为40倍，后一级放大倍数为5倍。

本发明实施例中混合后的中频信号包括4KHz、6KHz和8KHz三个频率，将其合成后的混合信号波形如图8所示。

本发明实施例中，接收板的数量n为偶数，发射通道的数量m为偶数，具体数量可根据实际情况增减。

本发明实施例中，第一DDS数字频率合成器与第二DDS数字频率合成器数量相同，且等同于发射频率的数量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种多频电阻率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、给多频电阻率测量装置上电，并进行初始化和自检；

S2、令多频电阻率测量装置待机，并等待接收指令；

S3、判断接收到的指令是否为启动测量指令，若是则进入步骤S4，否则按指令要求执行仪器状态查询、内存数据读取、Flash格式化和参数配置操作，并返回步骤S2；

S4、通过测量及发射控制板上的DSP主控制器使能多个第一DDS数字频率合成器产生不同频率的发射信号，并通过第一合路器将多路不同频率的发射信号整合成一路混合信号；

S5、通过DSP主控制器使能m路发射通道控制开关组将T_i发射通道的+32V电源开通，同时将混合信号接入至T_i发射通道的功率放大电路的输入端，使T_i发射通道处于发射状态；其中计数值i的初值为1；

S6、在FPGA主控制器中生成参数和指令，并通过n个LVDS通讯接口发送至n个接收板的FPGA芯片；

S7、通过FPGA芯片使能多个第二DDS数字频率合成器产生与各个频率的发射信号频率相近的本振信号，同时开启接收天线接收发射信号经过地层后的回波信号；

S8、在接收板中根据回波信号和本振信号得到ADC采样数据，并通过LVDS通讯接口实时将ADC采样数据回传至FPGA主控制器中做累加处理；所述步骤S8包括以下分步骤：

S81、通过2级低噪声放大器对接收的回波信号进行2级低噪声放大，输出放大后的接收信号；

S82、通过第二合路器将多路不同频率的本振信号整合成一路混合本振信号；

S83、将出放大后的接收信号和混合本振信号输入混频器中进行混频相减，得到不同频率组合的谐波分量；

S84、通过带通滤波器对不同频率组合的谐波分量进行带通滤波，得到混合后的中频信号；

S85、通过程控运算放大器对混合后的中频信号进行程控运算放大处理；

S86、通过高精度ADC对程控运算放大处理后的中频信号进行模数转换及实时采样，得到ADC采样数据；

S87、通过LVDS通讯接口实时将ADC采样数据回传至FPGA主控制器中做累加处理；

S9、测量叠加周期完成后，通过FPGA主控制器通知各接收板停止接收与采样，并通过DSP主控制器关闭T_i发射通道的信号及电源的输入；

S10、通过DSP主控制器对FPGA主控制器累加后的数据进行DPSD数字相敏检波运算，得到每个频率信号的原始相位与幅值；

S11、判断计数值i是否等于m，若是则完成所有发射通道的发射与测量，进入步骤S12，否则令计数值i加1，返回步骤S5；

S12、根据每个频率信号的原始相位与幅值，通过DSP主控制器采用发射与接收天线对称补偿原理计算得到各对称通道的相位差与幅度比数据，进而得到地层不同频率下探测的电阻率信息，并将其作为最终测量结果与原始测量数据以及中间数据一同打包发送给通讯存储板；

2.根据权利要求1所述的多频电阻率测量方法，其特征在于，所述步骤S81中进行2级低噪声放大的前一级放大倍数为40倍，后一级放大倍数为5倍。

3.根据权利要求1所述的多频电阻率测量方法，其特征在于，所述接收板的数量n为偶数，所述发射通道的数量m为偶数。

4.根据权利要求1所述的多频电阻率测量方法，其特征在于，所述第一DDS数字频率合成器与第二DDS数字频率合成器数量相同。