CN111381285B - 多频电流过零方波信号处理方法及装置 - Google Patents

多频电流过零方波信号处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多频电流过零方波信号处理方法及装置，涉及信号处理方法技术领域。所述方法包括如下步骤：对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。所述方法易于实现且能量又较常用方波更集中于基频。

Description

多频电流过零方波信号处理方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理方法技术领域，尤其涉及一种多频电流过零方波信号处理方法及装置。
背景技术
人工可控源电磁勘探测技术中通常首选方波作为激励信号源，这是由于方波通过控制开关管的导通和关断比较容易实现大功率输出，控制电路简单，发热量小，这些对于增大测距范围均属于有利的方面。而正弦波需要整形和滤波、控制电路相当复杂，较难实现大功率输出，这些对增大测距范围均属于不利的方面。从后期信号提取方面考虑，正弦波是最理想的选择，因为它只含有单一频率的基波，不存在其它谐波，因此能量集中。而方波除了基波，还会含有无穷多个奇次谐波，能量分散；谐波阶数越高信号幅值越小，从而无法满足观测精度在一个水平上的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种易于实现且能量又较常用方波更集中于基频的多频电流过零方波信号处理方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多频电流过零方波信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：
对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数。
进一步的技术方案在于，所述方法还包括如下步骤：
通过磁场传感器探测正钻井中其周围邻井套管的激励交变磁场信号。
进一步的技术方案在于，所述方法包括如下步骤：
对接收到的含噪的三个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
找到DFT算法处理后频谱图中三条最大谱线所分别对应的三个频率，比较这三个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这三个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出三个频率所分别对应的三个幅度值；
对计算出的三个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
进一步的技术方案在于，幅值为A的最优化过零方波f(t)的表达式为：
Figure BDA0002433845310000021
其中，T为信号的周期。
进一步的技术方案在于：对计算出的幅度值分别乘以校正系数0.8547进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
本发明还公开了一种多频电流过零方波信号处理装置，其特征在于包括：
DFT算法处理模块：用于对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
幅值最大谱线计算模块：用于找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
幅度值计算模块：用于根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
幅值校正模块：用于对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数。
进一步的技术方案在于：所述装置还包括数据采集模块，所述数据采集模块用于通过磁场传感器探测正钻井中其周围邻井套管的激励交变磁场信号。
进一步的技术方案在于，所述装置包括：
DFT算法处理模块：用于对接收到的含噪的三个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
幅值最大谱线计算模块：用于找到DFT算法处理后频谱图中三条最大谱线所分别对应的三个频率，比较这三个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这三个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
幅度值计算模块：用于根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出三个频率所分别对应的三个幅度值；
幅值校正模块：用于对计算出的三个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
进一步的技术方案在于，幅值为A的最优化过零方波f(t)的表达式为：
Figure BDA0002433845310000031
其中，T为信号的周期。
进一步的技术方案在于：所述幅值校正模块用于对计算出的幅度值分别乘以校正系数0.8547进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述方法及装置中，最优化过零方波具有产生简单、可控性强、符合生产实际要求、基波功率与总功率比值0.9226优于方波该比值0.8106，其比值0.9226更加接近于正弦波该比值1，最优化过零方波克服了方波作为激励源时奇次谐波产生的能量损失。所述方法能够准确地重构出每口邻井接收端的电流信号，为丛式井组邻井间距磁定位提供了算法理论支撑。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一所述方法的流程图；
图2是本发明实施例二所述方法的流程图；
图3是本发明实施例三所述方法的流程图；
图4是本发明实施例三中方波的时域波形图；
图5是本发明实施例三中过零方波的时域波形图；
图6是本发明实施例三中三种波形的比较图；
图7是本发明实施例四所述方法的流程图；
图8是本发明实施例四中未进行幅度校正信号处理算法图；
图9是本发明实施例五中等幅异频信号处理结果图；
图10是本发明实施例五中异幅异频信号处理结果图；
图11是本发明实施例六所述装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
如图1所示，本发明实施例公开了一种多频电流过零方波信号处理方法，包括如下步骤：
S101：对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
S102：找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
S103：根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
S104：对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数。
下面对以上部分步骤进行详细的说明
其中，幅值为A的最优化过零方波f(t)的表达式为：
Figure BDA0002433845310000051
其中，T为信号的周期。
应当注意的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明所述方法，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
实施例二
如图2所示，本发明实施例公开了一种多频电流过零方波信号处理方法，包括如下步骤：
S201：通过磁场传感器探测正钻井中其周围邻井套管的激励交变磁场信号；
S202：对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
S203：找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
S204：根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
S205：对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数。
需要说明的是，本实施例主要不同于实施例一之处在于步骤S201，本申请在进行数据采集时还可以使用其它类型的传感器进行数据采集，只要能够采集本申请计算所需要的数据即可，在此不做赘述。
实施例三
如图3所示，本发明实施例公开一种多频电流过零方波信号处理方法，包括如下步骤：
S301：通过磁场传感器探测正钻井中其周围三邻井套管的激励交变磁场信号；
S302：对接收到的含噪的三个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
S303：找到DFT算法处理后频谱图中三条最大谱线所分别对应的三个频率，比较这三个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这三个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
S304：根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出三个频率所分别对应的三个幅度值；
S305：对计算出的三个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
下面结合具体理论对上述步骤进行详细说明
方波概述:
方波的时域波形如图4所示，其数学表达式为：
Figure BDA0002433845310000071
其傅里叶级数为：
Figure BDA0002433845310000072
式中
Figure BDA0002433845310000073
ω0为信号角频率，T为信号的周期，f为信号的频率；
方波的基波傅里叶系数表达式为：
Figure BDA0002433845310000074
根据上式可以计算出F1模值的平方：
Figure BDA0002433845310000075
其基波幅值为：
Figure BDA0002433845310000076
基波功率为：
Figure BDA0002433845310000077
信号总功率为：
Figure BDA0002433845310000078
基波功率所占信号总功率的比值为：
Figure BDA0002433845310000079
正弦波概述：
单一频率正弦信号表达式为：
Figure BDA0002433845310000081
上式中正弦信号的频率f＝2π/T，其傅里叶系数为：
Figure BDA0002433845310000082
根据上式可以计算出F1模值的平方表达式：
Figure BDA0002433845310000083
由上式计算出频率所对应的幅值为：
|A1|＝2|F1|
那么，正弦信号频率f所对应的功率为：
Figure BDA0002433845310000084
正弦信号的总功率为：
Figure BDA0002433845310000085
由以上两式可以计算出正弦信号频率f所对应的功率所占信号总功率的比值为：
Figure BDA0002433845310000086
最优化过零方波设计：
由于方波的产生是通过开关来实现的，而在现实状态下开和关之间是存在一定的时间间隔的，过零方波时域波形如图5所示，其表达式可以写为下式：
Figure BDA0002433845310000091
其中，k是过零方波的占空比系数，k∈[0,1]。
根据方波的基波傅里叶系数表达式，推导出基波傅里叶系数表达式为
Figure BDA0002433845310000092
根据上式可以计算出F1模值的平方：
Figure BDA0002433845310000093
基波幅值与正弦波的频率所对应的幅值公式一致，基波功率为：
Figure BDA0002433845310000094
信号总功率为：
Figure BDA0002433845310000095
其基波功率所占信号总功率的比值为：
Figure BDA0002433845310000096
上式是一个关于k的函数，通过对未知数k求一阶导数可以计算出η的最大值。因此把上式构造成一个函数表达式η(k)：
Figure BDA0002433845310000097
上式两端对参数k求导数为：
Figure BDA0002433845310000098
令η'(k)＝0，上式可以变换为下式：
Figure BDA0002433845310000101
上式不能直接求出具体数值，通过计算机仿真得出上式的最优解为：
kopt≈0.7420
把式上式代入式η(k)的表达式得到比值的最大值为：
Figure BDA0002433845310000102
把式上式代入幅值表达式，得到最优化过零方波重构后的信号幅值为：
Figure BDA0002433845310000103
从式η(k)的表达式得到比值的最大值以及最优化过零方波重构后的信号幅值的结果可以看出：首先，所述方法所构造的最优化过零方波基波功率与其总功率的比值要大于普通方波基波功率与其总功率比值约11.2％，该比值小于正弦波相应比值约7.74％。其次，经最优化占空比系数kopt计算出最优化过零方波的幅值1.17大于真实过零方波幅值1，即计算幅值大于真实幅值17％，后续信号处理时需要进行幅值校正。第三，通过数据分析可知最优化过零方波基波功率的表现比普通方波基波功率的表现要好，接近于正弦波基波的表现；而且最优化过零方波比普通方波更易于工程实现。
把计算机仿真得到的最优解的结果代入过零方波表达式得到幅值为A的最优化过零方波表达式为：
Figure BDA0002433845310000104
综上分析，图6可以直观地反映出三种波形基波功率占据信号总功率比值变化。图6中第一列从上到下依次是幅值为1，频率为2Hz的方波、正弦波和本申请所述方法提出来的最优化过零方波信号，第二列为三种波形对应的频谱图，第三列为三种波形基波及谐波功率占据信号总功率的比值。首先，正弦波信号基波比例系数1大于最优化过零方波基波比例系数0.9226，后者的值也大于方波基波比例系数0.8106。其次，方波的3次谐波和5次谐波的比例系数分别约为0.0901和0.0324，最优化过零方波的3次谐波和5次谐波所对应的比例系数分别约为0.0147和0.0085；方波和最优化过零方波的基波、3次谐波和5次谐波比例系数之和分别为0.9331和0.9458。由此可见，最优化过零方波的基波比例系数更加接近1，其3次谐波和5次谐波比例系数均比较接近0.01；同时，在实际含噪环境中信号的各次谐波均淹没于噪声中不易被检测出来或者把噪声信号误当成谐波信号处理，这些都给后续的井间定位信号处理带来不利影响。综合信号产生机理、可控性及精确度等因素，本申请所提出的最优化过零方波是后续邻井测距激励信号源的理想选择。
实施例四
如图7所示，本发明实施例公开了一种多频电流过零方波信号处理方法，包括如下步骤：
S401，对接收端含噪的三个频率信号进行DFT算法处理；
S402，找出DFT算法处理后，频谱中三条最大谱线所分别对应的三个频率，比较这三个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果它们相等转去执行步骤S403；如果不相等则继续细化特定频段区间再进行DFT算法，直到相等为止。
S403，根据幅值计算公式计算出三个频率所分别对应的三个幅度值；
S404，对步骤S403计算出的三个幅度值分别进行幅值校正，用步骤S403所得幅值分别乘以校正系数0.8547，最终获得逼近真实信号的幅值。
下面结合具体内容对上述方法进行说明：
在理想无噪声情况下，首先正钻井中磁场传感器探测到其周围三口邻井套管的激励交变磁场信号；随后对原始信号进行DFT处理检测到三口已钻井激励信号的基波频率，同时剔除各次谐波频率成分；接下来对三口已钻井的基波频谱进行DFT逆变换以恢复出三口已钻井各自的激励信号波形，但是由于剔除各次谐波频率只保留基波频率，故DFT逆运算后的信号为正弦信号。邻井间距只与信号强度(幅值)有关而与信号形状无关，因此只要经过该信号处理算法处理后的信号幅值准确即可满足后续测距要求。最后如果消噪后的信号幅值不准确，还需要进行幅值校正处理。图8就是按照上述原理进行的正钻井中磁场传感器接收端信号处理结果。
图8中第一列从上到下分别为已钻井1铁质套管发射的激励信号(幅值为10A，频率为1Hz)、已钻井2铁质套管产生的激励信号(幅值为20A，频率为0.5Hz)、已钻井3铁质套管发出的激励信号(幅值为30A，频率为0.125Hz)和三个激励信号叠加后接收端探测到的合成信号；图8第二列从上到下分别为接收端经信号处理算法后来自已钻井1重构信号(幅值为11.7A，频率为1Hz)、已钻井2重构信号(幅值为23.4A，频率为0.5Hz)、已钻井3重构信号(幅值为35.1A，频率为0.125Hz)和接收端的叠加信号经DFT信号处理算法后的频谱图(三个幅值最大谱线对应的频率分别为0.125Hz、0.5Hz和1Hz)。由图8可知，不同频率不同幅值的原始信号经信号处理算法后所得幅值均比原始信号幅值大17％，这与最优化过零方波重构后的信号幅值公式的计算结果一致，经过计算可以得出幅度校正系数为0.8547，这样就能保证消噪后的幅度值与原始信号幅度值一致。
实施例五(仿真研究)
1)幅值相等频率不等三频激励信号
三口已钻井激励电流幅值均为10A时，相对应的激励频率分别为1Hz、0.5Hz和0.125Hz，三频原始激励信号叠加后波形如图9中左上角位置所示；左侧中间位置为三频原始激励信号叠加高斯随机噪声后的波形，可以看出原始信号已经完全地淹没在噪声中，无法看出原始波形的形状；左下角位置为经过DFT算法后含噪信号的频谱图，可以看出三条谱线的幅值最大且相等，其对应的频率依次为0.125Hz、0.5Hz和1Hz。图9右侧从上到下依次为三口已钻井接收端波形重构的结果，其中右上角位置为接收端重构来自已钻井1的信号(实际提取的幅值10A，频率1Hz)；右侧中间位置为接收端重构来自已钻井2的信号(实际提取的幅值10A，频率0.5Hz)；右下角位置为接收端重构来自已钻井3的信号(实际提取的幅值10A，频率0.125Hz)。
2)幅值和频率均不等三频激励信号
三口已钻井激励电流幅值分别为10A、20A和30A时，其相对应的频率分别为1Hz、0.5Hz和0.125Hz，三频原始激励信号叠加后波形如图10中左上角位置所示；左侧中间位置为三频原始激励信号叠加高斯随机噪声后的波形，可以看出原始信号已经完全地淹没在噪声中，无法看出原始波形的形状；左下角位置为经过DFT算法后含噪信号的频谱图，可以确定三条谱线幅值最大位置所对应的频率依次为0.125Hz、0.5Hz和1Hz。图10右侧从上到下依次为三口已钻井接收端波形重构后的结果，其中右上角位置为接收端重构来自已钻井1的信号(实际提取的幅值10A，频率1Hz)；右侧中间位置为接收端重构来自已钻井2的信号(实际提取的幅值20A，频率0.5Hz)；右下角位置为接收端重构来自已钻井3的信号(实际提取的幅值30A，频率0.125Hz)。
通过图9和图10分析可知，重构波形的结构与理论值完全一致，这是在计算机仿真时所选信号频率和采样频率等因素所决定的，恰好没有出现栅栏效应。
实施例六
如图11所示，相应的，本发明实施例还公开了一种多频电流过零方波信号处理装置，包括：
数据采集模块101，所述数据采集模块用于通过磁场传感器探测正钻井中其周围三口邻井套管的激励交变磁场信号。
DFT算法处理模块102：用于对接收到的含噪的三个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
幅值最大谱线计算模块103：用于找到DFT算法处理后频谱图中三条最大谱线所分别对应的三个频率，比较这三个频率与原始激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则系细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这三个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
幅度值计算模块104：用于根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出三个频率所分别对应的三个幅度值；
幅值校正模块105：用于对计算出的三个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
需要说明的是，本申请所述装置中的相应模块的具体作用可参考方法中相应的步骤，在此不做赘述。

Claims (6)

1.一种多频电流过零方波信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：
对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始磁场激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数；
幅值为A的最优化过零方波f(t)的表达式为：
Figure FDA0003510772160000011
其中，T为信号的周期。
2.如权利要求1所述的多频电流过零方波信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
通过磁场传感器探测正钻井周围邻井套管的激励交变磁场信号。
3.如权利要求1所述的多频电流过零方波信号处理方法，其特征在于：对计算出的幅度值分别乘以校正系数0.8547进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
4.一种多频电流过零方波信号处理装置，其特征在于包括：
DFT算法处理模块：用于对接收到的含噪的N个激励交变磁场信号进行DFT算法处理；
幅值最大谱线计算模块：用于找到DFT算法处理后频谱图中N条最大谱线所分别对应的N个频率，比较这N个频率与原始磁场激励信号预设频率是否一致，如果相等则进行下一步，如果不相等则细化特定频段区间，再进行DFT算法处理，直到这N个频率与原始磁场激励信号预设频率相等为止；
幅度值计算模块：用于根据最优化过零方波的基波幅值计算公式计算出N个频率所分别对应的N个幅度值；
幅值校正模块：用于对计算出的N个幅度值分别进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值，其中，N为大于2的自然数；
幅值为A的最优化过零方波f(t)的表达式为：
Figure FDA0003510772160000021
其中，T为信号的周期。
5.如权利要求4所述的多频电流过零方波信号处理装置，其特征在于所述装置还包括数据采集模块，所述数据采集模块用于通过磁场传感器探测正钻井周围邻井套管的激励交变磁场信号。
6.如权利要求4所述的多频电流过零方波信号处理装置，其特征在于：所述幅值校正模块用于对计算出的幅度值分别乘以校正系数0.8547进行幅值校正，最终获得逼近真实信号的幅值。
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