CN112160744B - 一种超深电阻率的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超深电阻率的测量装置，发射控制及功放模块选用效率高的D类功放，根据需要输出1KHz至几十KHz的高功率的正弦波发射信号，该信号通过发射天线在地层激励周期性的电磁波信号，测量装置每发射一个测量周期即传输一个同步脉冲，由此触发各接收模块采集接收天线输出的信号，同时对采样数据进行叠加后，再通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送至测量控制模块，DSP主控制器对各接收通道信号进行DPSD数字相敏检波换算，得出各接收通道的信号幅度比与相位差，最终反演出地层电阻率结果。单芯电缆在输送电源的同时也充当通讯载体，各模块之间均以信号调制通讯的形式进行通讯连接，与此同时同步脉冲也通过单芯电缆进行传输。

Description

一种超深电阻率的测量装置

技术领域

本发明涉及电阻率测井技术领域，具体涉及一种超深电阻率的测量装置。

背景技术

近年来随着测井技术的日新月异的发展，各种随钻测井仪也是层出不穷，测量精度与探测深度也不断增强，在此基础上随钻电阻率测量也得到的一定的应用，在随钻电阻率测量的基础上加大探测深度，在钻井的同时能够提前预知油层位置和储存量且又能避免钻破油层，亦可在水平井或大斜度井条件下，实时测量自然伽马、电阻率、近钻头、井斜、井眼等集合参数，地面地质和钻井人员在分析这些数据的基础上，才能高时效且低成本的进行地质导向。常规的方位随钻测井仪周身侧面的探测深度很难超过10米，那么在应对比较复杂且特殊的地下油层且尤其是垂直井探测时，钻探过程中如果出现一些测量误差都可能导致井壁太过于贴近油水层，从而引发塌陷或油水泄露，使得油井作废，钻探功亏一篑，损失惨重。因为常规的方位随钻测井仪在测量水平井或斜度井时或许能够比较及时发现油层边界，但是一旦遇到垂直井探测时，由于跟仪器钻头纵向平行的前向探测深度有限，不能及时发现地质分层结构，碰到油水层时很可能来不及掉转钻头方向导致钻透油层。

因此超深随钻电阻率的测井装置的研制便应运而生，通过延长发射天线与接收天线的距离，使探测深度得到进一步的提高，并且利用1组或多组斜向发射与接收线圈，使得测量装置具有一定的前探功能。与此同时，功率发射控制模块采用高效率的D类数字集成功放，提高了发射功率，并输出1KHz至几十KHz的高功率的正弦波发射信号，该信号通过发射天线在地层激励周期性的电流信号，测量装置每发射一个测量周期便传输一个同步脉冲，由此触发接收模块对接收天线输出的信号进行采样，ADC模数转换后的数据经过采样叠加后通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送至测量控制模块，DSP主控制器对接收数据进行DPSD数字相敏检波换算，得出各频率接收信号的幅度比与相位差，最终反演出地层电阻率结果。单芯电缆在输送电源的同时也充当通讯载体，各模块之间均以信号调制通讯的形式进行通讯连接，与此同时同步脉冲也通过单芯电缆进行传输。因此，本发明提出了一种超深电阻率测量装置，能够解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超深电阻率的测量装置，加长发射天线与接收天线的距离，利用1组或多组斜向发射与接收线圈，使得测量装置具有一定的前探功能，并且使用效率高的大功率D类功放输出发射信号，将各电路模块分成若干仪器短节然后再进行拼接，与此同时利用井下仪器串内部的单芯电缆在输送32V电源的同时也充当通讯载体，实现仪器串内各电路模块之间通讯互联，并且单芯电缆也传播同步脉冲。采样数据经过叠加后通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送至测量控制模块，该模块中的DSP主控制器对接收信号进行DPSD数字相敏检波换算，得出接收信号的幅度比与相位差，并换算出地层电阻率结果。最后将所有测量数据及幅度比、相位差通过内部485总线上传至主控存储模块FLASH芯片中存储，完成周期性的测量；以解决背景技术中提到的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种超深电阻率的测量装置，包括以下部分：

测量控制模块，作为整个测量装置的控制中心，使能功率发射控制模块输出某一固定频率的正弦波发射信号，并且对采样后的测量数据进行DPSD数字相敏检波换算，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块进行通讯，实时上传数据至主控存储模块FLASH中保存；

功率发射控制模块，用于接收DDS输出的正弦波发射信号，并通过大功率D类功放将1KHz-60KHz正弦波信号转换成PWM脉宽调制波再通过功放内部集成的功率H桥输出至LC低通滤波调谐电路，最终将放大后的发射信号输出至发射天线；

发射天线,用于接收放大后的正弦波信号，然后在地层激励出周期性大功率的正弦波电流信号；

信号调制总线，为单芯电缆，输送32V电源，同时又作为各模块之间的通讯载体并传播周期性的同步脉冲；

主控存储模块，用于实时监测信号调制总线上的命令，将对应的启动命令发送至测量控制模块，开启测量后，将实时接收到得测量数据保存在FLASH中。

第一接收模块，用于采集接收天线RX1输出的信号，信号经ADC模数转换及叠加后通过信号调制总线以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块；

第二接收模块，用于采集接收天线RX2输出的信号，信号经ADC模数转换及叠加后通过信号调制总线以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块；

所述测量控制模块通过信号调制总线接收第一接收模块和第二接收模块采样数据，对各频率接收数据进行DPSD数据处理与换算，得出接收信号的幅度比与相位差，换算出地层电阻率的结果并将所有数据通过485总线上传至主控存储模块的FLASH中保存；

所述主控存储模块、测量控制模块、功率发射控制模块及发射天线顺次连接，所述功率发射控制模块通过RS485总线与测量控制模块连接，所述测量控制模块通过RS485总线与主控存储模块连接，所述测量控制模块的输入端分别与第一接收模块及第二接收模块的输出端连接，所述收天线RX1的输出端与所述第一接收模块的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块的输入端连接。

本发明利用仪器串内部的单芯电缆进行供电，单芯电缆在输送电源的同时也充当信号调制通讯载体，实现仪器串内各电路模块之间通讯互联，与此同时单芯电缆也传播同步脉冲。使各接收模块对信号的接收与处理同时进行，实现信号接收与数据处理在时序上的同步。

进一步地，功率发射控制模块包括单片机、外围电路、RS485通讯模块、信号控制开关、D类功放集成电路、功率调整电路、电源控制开关、信号比较电路和LC低通滤波调谐电路。

所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述单片机、电源控制开关、D类功放集成电路及调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述信号比较电路输入端连接LC低通滤波调谐电路的输出，其输出端与单芯电缆连接，所述功率调整电路的输入端与单片机相连，其输出端与D类功放集成电路，所述电源控制开关的输出端连接D类功放集成电路的输入端，其输入端分别与单片机及单芯电缆电源输入连接，D类功放集成电路的输出端与LC低通滤波调谐电路输入端连接；

所述LC低通滤波调谐电路分别与所述发射天线以及信号比较电路连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与测量控制模块连接，所述信号比较电路的输出与信号调制通讯总线(单芯电缆)连接。

上述优选方案的有益效果为：功率发射控制模块接收测量控制模块的DDS数字频率合成器输出某一固定频率的正弦波信号，该信号通过D类集成功放电路以及LC低通滤波调谐电路后输出至发射天线，在发射天线上激励起周期性的大功率的正弦电磁波信号。采用效率高的大功率D类集成功放输出发射信号，降低了测量装置功耗，加大了发射信号强度，提高装置测量精度，间接也提高探测深度。与此同时发射信号经过信号比较电路后输出同频的同步脉冲信号至信号调制总线(单芯电缆)，触发各接收模块进行接收处理，使各接收模块对信号的接收与处理同时进行，实现信号接收与数据处理在时序上的同步。

进一步地，测量控制模块包括DSP28377主控制器、FPGA主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、信号调制解调电路、温度传感器、DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；

所述DDS数字频率合成器的输出端输出正弦波发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS数字频率合成器顺次连接，所述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及信号调制解调电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与所述DSP28377主控制器的输入端及主控存储模块连接，所述信号调制解调电路通过调制通讯总线与所述信号调制总线连接，所述温度传感器与所述FPGA主控制器连接，所述SRAM存储电路通过通讯总线与所述DSP28377主控制器连接。

上述优选方案的有益效果为：测量控制模块作为整个测量装置的控制中心，使能功率发射控制模块输出经过功放放大后的发射信号。并且对RX1、RX2采样后上传的测量数据进行相关的DPSD数字相敏检波换算，换算出幅度比与相位差，并反演出地层电阻率结果，最终与主控存储模块进行通讯，实时上传数据至主控存储模块FLASH中保存。

进一步地，主控存储模块包括DSP28377从控制器、电源转换模块、RS485通讯模块、信号调制解调电路、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH存储芯片组；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆输入，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与DSP28377从控制器及测量控制模块连接，所述信号调制解调电路分别与DSP28377从控制器及信号调制总线连接，所述FLASH存储芯片组通过内部总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器的输出端连接于RTC时钟电路。

上述优选方案的有益效果为：主控存储模块负责与井下或中控系统之间的通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作并实时存储测量到的原始数据、换算后的相位差与幅度比数据。

进一步地，所述第一接收模块和第二接收模块均包括顺次连接的FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波电路、程控运算放大器及高精度ADC，还包括电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和信号调制解调电路；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接于接收天线RX1或接收天线RX2，所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与高精度ADC连接，所述信号调制解调电路通过信号调制总线与所述FPGA从控制器连接。所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及单芯电缆连接。

上述优选方案的有益效果为：同步脉冲接收电路对与发射信号同步同频的脉冲信号进行精准的捕捉，以此来实现各接收模块对信号的接收处理与采集动作时序上的同步，ADC模数转换并经过采样叠加后的数据通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送至测量控制模块。

进一步地，接收模块中信号调理滤波电路采用两级前置低噪声放大滤波，然后再将该信号与其频率相近的本振信号进行混频相减后输出一固定频率的中频信号，经过带通滤波器与放大后，通过高精度ADC来进行模数转换。

上述优选方案的有益效果为：由于发射线圈到接收线圈的距离可达20～30米，那么接收到的信号将十分微弱，可能是纳伏级别的信号，接收电路需要把该信号从噪声中提取出来将变得十分困难。除了增大发射功率外还可以通过将接收信号转换成一频率固定的中频信号，有利于接收模块对不同发射频率信号的信号调理与接收测量。即便各发射信号频率范围相差比较大的情况下，依然可以使用同一种信号测量采集电路，节约硬件开销，方便测量，此外滤波器通带可以设计得更窄，滤除效果更好，信噪比更高，也间接地提高了装置测量精度与探测深度。

本发明的有益效果是：

1)本发明中整个测量仪器串供电与通讯仅通过单芯电缆进行连接，仪器骨架外壳充当GND层，所述单芯电缆作为信号调制总线给各仪器串输送电源的同时也能充当通讯的载体，用来收发命令、传送数据以及传送周期性的同步脉冲。只用单芯电缆连接的方式使得整个仪器串在电路接线设计上简单了许多，各短节之间不用设计多股导线连接的插头与插座，也不再需要考虑导线的走向与接法，在电路布局及布线设计与机械设计上减少了很大的工作量，在机械安装与调试时也非常方便，省去了常规随钻仪器内部大量导线的对接与维护。下井作业时，可以根据不同需要安装不同的仪器短节，各短节之间直接可以互换位置，同时也可以根据需要调节发射天线短节与接收天线短节之间的距离，匹配不同的探测深度，既方便又快捷，不存在不配套的问题。

2)本发明中超深电阻率测量装置只是井下仪器串的其中之一，整个测量仪器串长度可达几十米，特别是发射天线与两接收天线之间的距离比较长，各模块间以单芯电缆为通讯载体，采用信号调制通讯的方式进行通讯交互，使得井下各仪器短节及电路模块之间实现超远距离的通讯与数据传输变为可能；接收模块通过接收同步脉冲，经过比对同步后再进行相关数据的采集操作，使得数据处理时序上的同步变为可能；接收天线采用谐振的方式进行调谐处理，使得接收天线线圈只对某一固定频率正弦波信号敏感，大大提高了信号接收强度，有利于超远距离的微弱信号的接收。

3)本发明中功率发射控制模块采用D类集成功放芯片，最高功率可到30W，功放效率可达85％以上，远高于目前常规电阻率仪器所使用的A类或AB类功放。测量时发射信号频率在1KHz到几十KHz区间范围内，符合数字D类功放输出的范畴，由于当前数字D类功放芯片技术已经非常成熟，因此在低频数字信号放大领域，D类功放具有很强的优势。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种超深电阻率的测量装置结构框图；

图2所示为本发明实施例一提供的信号发射与信号接收的示意图；

图3所示为本发明实施例一提供的功率发射控制模块电路原理图；

图4所示为本发明实施例一提供的测量控制模块电路原理图；

图5所示为本发明实施例一提供的主控存储模块电路原理图；

图6所示为本发明实施例一提供的第一接收模块和第二接收模块电路原理图；

图7所示为本发明实施例二提供的井下各仪器串的短节之间内部通讯框架示意图；

图8所示为本发明实施例二提供的信号调制总线通讯收发示意图；

图9所示为本发明实施例二提供的超深电阻率测量工作流程图；

图中，1-发射天线，2-功率发射控制模块，3-测量控制模块，4-主控存储模块，5-信号调制总线，6-第一接收模块，7-接收天线RX1，8-第二接收模块，9-接收天线RX2。

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。

已知影响测井仪探测深度的因数主要由以下3个方面的因素决定：一是，发射线圈到测量点的距离起主要的作用，源距越大，探测深度越大；二是，仪器的工作频率和地层的导电性本身也决定了工具的探测深度，由于高频信号在地层中衰减的更多更快，因此高频电磁波更难以穿透导电性的介质；三是，不同的测量参量具有不同的探测深度，例如衰减电阻率对导电性侵入地层反应不敏感，而对电阻性侵入地层的读数接近地层真电阻率。

因此要提高测井仪的探测深度，那么就必须从这3条决定因数着手，加大发射与接收之间的距离、降低发射信号的频率、利用不同的参量算法，最终反演出地层真实电阻率。加大发射与接收之间的距离同时也会带来一些其他的不利因素，比如发射信号传输的时延特性，使得接收信号的相移很可能大于360度，且接收信号会变得过于微弱，导致信噪比下降，测量精度与准确度不够，因此也不能无限加大发射与接收的距离，一般20～30米左右就足够了。本发明的目的是针对目前传统随钻电阻率测井仪的不足之处，提出了一种超深电阻率测量方法与装置，即在适当加大发射与接收距离的同时，也适当提高发射功率，并采用效率高的数字D类功放，发射低频正弦电磁波信号，穿透力更强，探测深度更深，最后采用DPSD数字相敏检波技术，对接收数据进行处理，得出最终的电阻率结果。与此同时本发明还采用仪器短节拼接的形式，各短节之间可以互换位置，同时也可以根据需要调节发射短节与接收短节之间的距离，匹配不同的探测深度。

实施例1

本发明实施例提供了一种超深电阻率的测量装置，如图1所示，包括：

测量控制模块3，作为整个测量装置的控制中心，使能功率发射控制模块2输出某一固定频率的方波发射信号，并且对采样后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块4进行通讯，实时上传数据至主控存储模块4FLASH中保存；

功率发射控制模块2，用于接收正弦波信号，并通过D类功放电路将正弦波信号放大并输出至发射天线1；

发射天线1,用于接收放大的正弦波信号，在地层激励出周期性大功率的正弦波电流信号；

信号调制总线5，为单芯电缆，作为各模块之间通讯载体，也用于输送电源并传播周期性的同步脉冲；

主控存储模块4，用于实时监测信号调制总线5上下达的命令，将对应的启动命令发送至测量控制模块3；实时接收测量数据并保存在FLASH中。

第一接收模块6，用于采集接收天线RX17输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过信号调制总线5以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块3；

第二接收模块8，用于采集接收天线RX29输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过信号调制总线5以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块3；

所述测量控制模块3通过信号调制总线5接收第一接收模块6和第二接收模块8上传的采样数据，DSP主控器对信号数据进行DPSD数据处理与换算，得出各频率接收信号的幅度比与相位差，反演出地层电阻率的结果；

如图1所示，所述主控存储模块4、测量控制模块3、功率发射控制模块2及发射天线1顺次连接，所述功率发射控制模块2通过RS485总线与测量控制模块3连接，所述测量控制模块3通过RS485总线与主控存储模块4连接，所述测量控制模块3、主控存储模块4、第一接收模块6、第二接收模块8都挂接在信号调制通讯总线上，每个模块都有自己的独立地址，所述收天线RX1的输出端与所述第一接收模块6的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块8的输入端连接。

本发明实施例中，利用单芯电缆在输送电源的同时也充当通讯载体，实现各仪器串以及各电路模块之间通讯互联，与此同时单芯电缆也传播同步脉冲，使各接收模块对信号的接收与数据处理同时进行，实现对各信号接收与数据处理时序上的同步。发射天线1在地层激励起周期性的大功率的正弦波信号，每发射一个周期便输出一个同步脉冲，由此触发各接收模块对接收天线输出的信号进行信号调理滤波与采集，对采样数据进行叠加后，再通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送至测量控制模块3，测量控制模块3的DSP对各接收通道数据进行DPSD数字相敏检波换算，得出各信号的幅度比与相位差，并反演出地层电阻率结果，最后将所有原始数据及最终的计算结果上传至主控存储板的FLASH芯片中存储，从而完成一个周期的测量过程，之后接着继续下一周期的测量。

如图2所示，TX为发射天线1，功率发射控制模块2电路在发射天线1上激励起一个周期性的大功率的正弦波信号，以电磁波的形式向四周发射，接收天线RX17、RX2接收该电磁波信号并在线圈回路上产生一个微弱的感应电动势。

如图3所示，功率发射控制模块2包括单片机、外围电路、RS485通讯模块、信号控制开关、D类功放集成电路、功率调整电路、电源控制开关、信号比较电路和LC低通滤波调谐电路；

所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述单片机、电源控制开关、D类功放集成电路及调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述信号比较电路输入端连接LC低通滤波调谐电路的输出，其输出端与单芯电缆连接，所述功率调整电路的输入端与单片机相连，其输出端与D类功放集成电路，所述电源控制开关的输出端连接D类功放集成电路的输入端，其输入端分别与单片机及单芯电缆电源输入连接，D类功放集成电路的输出端与LC低通滤波调谐电路输入端连接；

所述LC低通滤波调谐电路分别与所述发射天线1以及信号比较电路连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与测量控制模块3连接，所述信号比较电路的输出与信号调制通讯总线(单芯电缆)连接。

本发明中功率发射控制模块2接收测量控制模块3的DDS数字频率合成器输出某一固定频率的正弦波信号，该信号通过D类集成功放电路以及LC低通滤波调谐电路后输出至发射天线1，在发射天线1上激励起周期性的大功率的正弦电磁波信号。采用效率高的大功率D类集成功放输出发射信号，降低了测量装置功耗，加大了发射信号强度，提高装置测量精度，间接也提高探测深度。与此同时发射信号经过信号比较电路后输出同频的同步脉冲信号至信号调制总线5(单芯电缆)，触发各接收模块进行接收处理，使各接收模块对信号的接收与处理同时进行，实现信号接收与数据处理在时序上的同步。

如图4所示，测量控制模块3包括DSP28377主控制器、FPGA主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、信号调制解调电路、温度传感器、DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；

所述DDS数字频率合成器的输出端输出发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS数字频率合成器顺次连接，所述述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及信号调制解调电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与所述DSP28377主控制器的输入端及主控存储模块4连接，所述信号调制解调电路与所述信号调制总线5连接，所述温度传感器通过SPI通讯总线与所述FPGA主控制器连接，所述SRAM存储电路通过内部通讯总线与所述DSP28377主控制器连接。

本发明实施例中，测量控制模块3作为整个测量装置的控制中心，使能功率发射控制模块2输出经过功放放大后的发射信号。并且对RX1、RX2采样后上传的测量数据进行相关的DPSD数字相敏检波换算，换算出幅度比与相位差，并反演出地层电阻率结果，然后通过信号调制总线5实时上传数据至主控存储模块4FLASH中保存。

如图5所示，主控存储模块4包括DSP28377从控制器、电源转换模块、RS485通讯模块、信号调制解调电路、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH存储芯片组；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与DSP28377从控制器及测量控制模块3连接，所述DSP28377从控制器通过信号调制解调电路与调制通讯总线连接，所述FLASH存储芯片组通过内部通讯总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器的输出端连接于RTC时钟电路。

本发明实施例中，所述主控存储模块4负责与井下或中控系统之间的通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作并实时存储测量到的原始数据、换算后的相位差与幅度比数据。

如图6所示，所述第一接收模块6和第二接收模块8均包括顺次连接的FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波电路、程控运算放大器及高精度ADC，还包括电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和信号调制解调电路；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接于接收天线RX17或接收天线RX29，所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与高精度ADC连接，所述信号调制解调电路通过信号调制总线5与所述FPGA从控制器连接。所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及信号调制总线5(单芯电缆)连接。

所述第一接收模块6与第二接收模块8对接收天线上产生的感应电动势信号进行信号调理滤波放大后再进行模数转换与采集。其中信号调理滤波电路采用两级前置低噪声放大滤波，滤波完后再将该信号与其频率相近的本振信号进行混频相减后输出一固定频率的中频信号，经过带通滤波器与放大后，通过高精度ADC来进行模数转换。对ADC采样数据进行叠加并通过单芯电缆以信号调制通讯的形式传送到测量控制模块3中进行DPSD数据处理，其中同步脉冲由发射控制板经单芯电缆传送至各接收模块。

本发明实施例中，同步脉冲接收电路对与发射信号同频的同步脉冲信号进行精准的捕捉，以此来实现各接收模块对信号的接收处理与采集动作时序上的同步，避免相位测量异常。

如图7所示，井下测量仪器串中有很多种仪器，超深电阻率测量装置只是其中的一个，分别由几个短节拼接起来的，各短节之间的供电与通讯通过一根单芯电缆进行连接，该单芯电缆给各仪器串输送电源的同时也充当通讯的载体，用来收发命令与传送数据以及传送周期性的同步脉冲。仪器骨架外壳充当GND层，大大方便了仪器短节之间的连线与组装，使得超长仪器串的拼接成为可能。接收模块、测量控制模块3、主控存储模块4内部均设有调制解调电路，各模块及中控系统都有各自的独立地址。

本发明实施例中，采用接收线圈调谐的方式，使得接收线圈的接收谐振频率与发射信号一致，从而使其对于某一固定频率的信号具有很强的接收能力，剔除掉噪声和其他频率信号的干扰，使得接收电路具有非常好的选频特性，减少了干扰信号，提高了信噪比，也同时提高了装置的测量精度。

本发明实施例中发射与接收天线的个数仅仅是示例性的，发射天线1也可以是2个或4个或其它多个，同理接收天线也是如此。具体可根据系统设计需要进行相应的增减。亦可以采用1组或2组斜向对称补偿的发射与接收天线，以此来提高钻头前探的深度。接收天线的个数与接收模块的个数一致且一一对应，任何时刻只能允许一个发射天线1开启发射，各接收天线与其对应的接收模块在同步脉冲触发的情况下开启接收并启动测量。因此本实施例中仅例举了一发双收的测量模式，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例2

本发明实施例提供了一种超深电阻率的测量方法，如图9所示，包括以下步骤：

A1、仪器上电，测量控制模块3、功率发射控制模块2、主控存储模块4、第一接收模块6及第二接收模块8的模块电路单元上电初始化，测量装置完成自检后并处于待机状态，信号调制总线5处于空闲状态，所述信号调制总线5为单芯电缆。

A2、仪器进入低功耗模式，主控存储模块4等待接收信号调制总线5上的中控命令并解析，若解析为参数修改命令或其他指令则进入步骤A3，若解析为启动测量命令则进入步骤A4；

所述步骤A2中仪器进入低功耗模式时，测量控制模块3关闭DDS发射信并将功率发射控制模块2、第一接收模块6及第二接收模块8的电源关断，以达到节能降耗的目的。

A3、是参数修改，则信号调制总线5挂起，主控存储模块4根据中控回传的参数，修改主控存储模块4FLASH中存储的参数并保存，返回步骤A2；如果不是参数修改命令，则按照指令执行相应的动作即可，随后返回A2。

步骤A3中修改参数后，通过信号调制总线5发送回复，发送成功后，信号调制总线5处于空闲状态，如果是其他指令则根据指令内容执行相关回复动作后返回A2。

A4、启动测量，仪器进入正常工作测量模式，测量控制模块3开启发射与启动测量。

所述步骤A4中测量控制模块3开启发射与测量的具体过程是：

所述主控存储模块4通过485总线发送命令至测量控制模块3让其开启测量，DDS发射信号输出至功率发射控制模块2，并开启功放发射，每发射一个信号周期便产生一个同步脉冲至单芯电缆。

所述主控存储模块4负责与井下或中控系统之间的通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作、存储测量到的实时原始数据、换算后的相位差与幅度比数据。

A5、各接收模块根据同步脉冲，启动接收并采集叠加数据后，利用信号调制总线5上传数据至测量控制模块3。

所述步骤A5中数据采集和上传的过程是：

第一接收模块6及第二接收模块8根据同步脉冲触发接收与采集动作，开启ADC对接收信号的模数转换与数据采样，将采集叠加后的数据通过信号调制总线5回传到测量控制模块3。

A6、测量控制模块3对第一接收模块6和第二接收模块8上传的数据进行数字相敏检波DPSD技术运算，求出各接收信号的幅度比与相位差，反演出地层电阻率的结果。

所述步骤A6中地层电阻率的结果反演出之后，需要将原始测量数据以及中间数据与最终换算结果进行数据压缩打包。

A7、测量控制模块3将测量到得原始数据及最终的换算结果上传到主控存储模块4中存储，然后再进入步骤A4，继续等到命令执行下一次测量周期。

所述步骤A7的数据上传的具体过程是：

测量控制模块3将测量到的原始数据及处理后的数据打包并通过内部485总线上传到主控存储模块4的FLASH中存储，完成数据上传及存储后，再次进入步骤A4，主控存储模块4继续对测量控制模块3发送启动测量控制命令，测量装置执行下一个的测量周期，直到中控发送停止测量指令到主控存储板为止。

如图7所示，本发明的信号调制的方.法使得各模块之间以及与中控系统的通讯成为可能，它们之间通过一根单芯的电缆相连，仪器骨架外壳充当GND，因此电缆也可以称作信号调制总线5。

如图8所示，信号调制就是用一个信号即调制信号去控制另一作为载体的信号即载波信号，让后者的某一参数如幅值、频率、相位、脉冲宽度等按前者的值变化，信号调制中通常以一个高频正弦信号作为载波信号。与此同时载体亦可以传输电源，为挂接设备提供电源。

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 (4)

1.一种超深电阻率的测量装置，其特征在于，包括：

测量控制模块（3），作为整个测量装置的控制中心，使能功率发射控制模块（2）输出某一固定频率的正弦波发射信号，并且对采样后的测量数据进行DPSD数字相敏检波换算，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块（4）进行通讯，实时上传数据至主控存储模块（4）FLASH中保存；

功率发射控制模块（2），用于接收正弦波发射信号，并通过大功率D类功放将1KHz-60KHz正弦波信号转换成PWM脉宽调制波再通过功放内部集成的功率H桥输出至LC低通滤波调谐电路，最终将放大后的发射信号输出至发射天线（1）；

发射天线（1），用于接收放大后的功率发射信号，并在地层里激励出周期性大功率的正弦波电流信号；

信号调制总线（5），为单芯电缆，输送32V电源，同时又作为各模块之间的通讯载体并且还传播周期性的同步脉冲；

主控存储模块（4），用于实时监测信号调制总线（5）上的命令，将对应的启动命令发送至测量控制模块（3），开启测量后，将实时接收到得测量数据保存在FLASH中；

第一接收模块（6），用于采集接收天线RX1（7）输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过信号调制总线（5）以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块（3）；

第二接收模块（8），用于采集接收天线RX2（9）输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过信号调制总线（5）以信号调制通讯的形式回传至测量控制模块（3）；所述发射信号经过信号比较电路后输出同频的同步脉冲信号至信号调制总线（5），触发各接收模块进行接收处理，使各接收模块对信号的接收与处理同时进行，实现信号接收与数据处理在时序上的同步；

所述功率发射控制模块（2）包括单片机、外围电路、RS485通讯模块、信号控制开关、D类功放集成电路、功率调整电路、电源控制开关、信号比较电路和LC低通滤波调谐电路；

所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述单芯电缆电源输入端连接有电源转换模块，所述单片机、电源控制开关、D类功放集成电路及调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述信号比较电路输入端连接LC低通滤波调谐电路的输出，其输出端与单芯电缆连接，所述功率调整电路的输入端与单片机相连，其输出端接D类功放集成电路，所述电源控制开关的输出端连接D类功放集成电路的输入端，其输入端分别与单片机及单芯电缆电源输入连接，D类功放集成电路的输出端与LC低通滤波调谐电路输入端连接；

所述LC低通滤波调谐电路分别与所述发射天线（1）以及信号比较电路连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与测量控制模块（3）连接，所述信号比较电路与所述LC低通滤波调谐电路输出的发射信号进行比较，输出与所述发射信号同频的脉冲信号，所述同频的脉冲信号作为同步脉冲信号输出至所述信号调制总线（5），所述同步脉冲信号通过所述信号调制总线（5）传输至各接收模块，用于触发各接收模块对发射信号的同步接收与处理；

所述测量控制模块（3）、主控存储模块（4）、第一接收模块（6）、第二接收模块（8）都挂接在信号调制总线（5）上，每个模块都有自己的独立地址；将各电路模块分成若干仪器短节然后再进行拼接，所述单芯电缆作为信号调制总线（5）给各仪器串输送电源的同时也能充当通讯的载体，用来收发命令、传送数据以及传送周期性的同步脉冲；下井作业时，根据不同需要安装不同的仪器短节，各短节之间直接可互换位置，同时也能根据需要调节发射天线短节与接收天线短节之间的距离，匹配不同的探测深度；

所述测量控制模块（3）通过信号调制总线（5）以信号调制通讯的形式接收第一接收模块（6）和第二接收模块（8）采样数据，对各频率接收数据进行DPSD数据处理与换算，得出接收信号的幅度比与相位差，换算出地层电阻率的结果并将所有数据通过485总线上传至主控存储模块（4）的FLASH中保存；

所述主控存储模块（4）、测量控制模块（3）、功率发射控制模块（2）及发射天线（1）顺次连接，所述功率发射控制模块（2）通过RS485总线与测量控制模块（3）连接，所述测量控制模块（3）通过RS485总线与主控存储模块（4）连接，所述测量控制模块（3）的输入端分别与第一接收模块（6）及第二接收模块（8）的输出端连接，所述收天线RX1的输出端与所述第一接收模块（6）的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块（8）的输入端连接，所述功率发射控制模块（2）每发射一个信号周期便产生一个同步脉冲至单芯电缆，所述同步脉冲触发各接收模块进行接收处理，使各接收模块对信号的接收与处理同时进行，实现信号接收与数据处理在时序上的同步。

2.根据权利要求1所述的超深电阻率的测量装置，其特征在于，所述测量控制模块（3）包括：DSP28377主控制器、FPGA主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、信号调制解调电路、温度传感器、DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；

所述DDS数字频率合成器的输出端输出正弦波发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS数字频率合成器顺次连接，所述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及信号调制解调电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与所述DSP28377主控制器的输入端及主控存储模块（4）连接，所述FPGA主控制器通过所述信号调制解调电路与所述信号调制总线（5）连接，所述温度传感器与所述FPGA主控制器连接，所述SRAM存储电路通过总线与所述DSP28377主控制器连接。

3.根据权利要求1所述的超深电阻率的测量装置，其特征在于，所述主控存储模块（4）包括：DSP28377从控制器、电源转换模块、RS485通讯模块、信号调制解调电路、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH存储芯片组；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆输入，所述RS485通讯模块通过RS485总线分别与DSP28377从控制器及测量控制模块（3）连接，所述信号调制解调电路分别与DSP28377从控制器及信号调制总线（5）即单芯电缆连接，所述FLASH存储芯片组通过内部总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器的输出端连接于RTC时钟电路。

4.根据权利要求1所述的超深电阻率的测量装置，其特征在于，所述第一接收模块（6）和第二接收模块（8）均包括顺次连接的FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器及高精度ADC、电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和信号调制解调电路；

所述电源转换模块的输入端接单芯电缆电源输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接接收天线RX1（7）或接收天线RX2（9），所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与高精度ADC连接，所述信号调制解调电路通过信号调制总线（5）与所述FPGA从控制器连接，所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及单芯电缆连接。

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