CN115903588A - 一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法及装置，所述方法包括：步骤1、接收天线用于拾取经地层衰减后的磁感应信号，并将接收到的磁感应信号转换成电信号，供后续电路处理；步骤2、前置放大电路将接收天线上感应到的幅值水平在nV级别的微弱信号进行固定增益放大；步骤3、通过控制器控制滤波电路，对前述放大后的信号进行滤波，所述滤波电路包括模拟开关和两种不同频率的低通滤波器，针对不同频率的接收信号，FPGA控制器通过控制模拟开关的通断实现滤波频率的选择；步骤4、利用程控放大电路对滤波后的信号进行放大，步骤5、所述模数转换电路在FPGA的控制下，以低频采集的方法将满足要求的被测信号进行数字化转换。

Description

一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法及装置

技术领域

本发明涉及油气地质勘探测量技术领域，尤其是一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法及装置。

背景技术

随着常规油气勘探开发进入中后期，越来越多的复杂油气资源需要采用大斜度井或水平井开发以提高产量和效益，其中随钻测井技术是大斜度井、水平井油气勘探开发不可缺少的重要手段，主要用于地质导向和地层评价，成为当今石油勘探开发中不可替代的技术之一。该技术是在钻井时获取岩性、饱和度、孔隙度等地层评价信息，能提供钻井工程参数以便于有效的钻进储层，并能在恶劣井眼条件下开展测井工作，因而在诸多方面具有优越性。

随钻方位电磁波电阻率仪器作为地质导向和地层评价的重要仪器之一，其基本工作原理是利用一个或多个轴向发射天线向大地发射出不同频率的电磁波信号，电磁波信号分别沿井孔方向和井周方向传播，由于不同电阻率地层对电磁波的吸收作用不同，沿井孔方向传播、衰减后的电磁波信号会携带地层参数信息，通过测量与发射天线不同距离的多个轴向接收天线的幅度比和相位差，可以反演得到地层电阻率参数，进而对地层含油性进行评价。与此同时，沿井周方向传播的电磁波信号遇到地层边界时，经过地层边界反射后，被与轴向存在夹角的水平或倾斜天线所接收，结合仪器方位信息，可准确判断地层边界相对于仪器的距离和方向，从而用于调整轨迹，进行地质导向。

随钻方位电磁波电阻率仪器一般采用几百kHz到几MHz的较高发射频率，如400kHz或2MHz。根据奈奎斯特采样定理，模数转换器(ADC)的采样频率应不小于被测信号最高频率的两倍，才能无失真地恢复出被测信号。同时为了保证采集的精度，实际选用的采样频率通常远高于被测信号最高频率的两倍。

传统的高频信号采集方法通常采用超外差混频方式或选择一款具备高采样率的ADC芯片。超外差混频方式是将被测信号与本振信号进行混频，得到两个频率下的高频信号和中频信号，然后再经过带通滤波选择出中频信号，如此即实现了高频被测信号的下变频处理。该中频信号的频率低于仪器选用ADC最高采样率的1/2，即满足奈奎斯特采样定理，而且能够保留被测信号的幅度和相位信息，从而保证高频被测信号的测量精度。而选用高于被测频率2倍以上采样率的ADC芯片可以对放大、滤波处理后的被测信号进行直接采样，采样后可供后续数字电路进行存储或处理。

随钻方位电磁波电阻率仪器在探测地层边界时，信号极其微弱，一般在nV级别，因此会对信号调理电路和采集电路提出较高的要求。采用上述超外差混频方式对被测信号进行下变频处理时，会在采集电路中引入混频器和滤波硬件电路，这会引入复杂的系统噪声，降低信号的信噪比同时增大仪器功耗。而高采样率的ADC芯片可以满足高频信号的采样要求，但在成本和精度方面存在一定的劣势。相同精度等级的ADC芯片，一般采样率越高越昂贵，高采样率带来更多的数据量也会导致整个系统成本的增加。而且ADC的速度与精度往往是相互矛盾的，一味地追求高采样率必然会损失测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种随钻方位电磁波电阻率仪器接收信号的采集方法及装置，以低的采样频率实现对高频信号的采样，提升被测信号的信噪比，提高随钻方位电磁波电阻率仪器对高频微弱信号的检测能力，同时降低仪器功耗。

本发明的技术方案为：一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的低频采集方法，包括：

步骤1、接收天线用于拾取经地层衰减后的磁感应信号，并将接收到的磁感应信号转换成电信号，供后续电路处理；

步骤2、前置放大电路将接收天线上感应到的幅值水平在nV级别的微弱信号进行固定增益放大，所述前置放大电路采用三运放仪表放大器，实现高输入阻抗，并消除共模干扰；

步骤3、通过控制器控制滤波电路，对前述放大后的信号进行滤波，所述滤波电路包括模拟开关和两种不同频率的低通滤波器，针对不同频率的接收信号，FPGA控制器通过控制模拟开关的通断实现滤波频率的选择；

步骤4、利用程控放大电路对滤波后的信号进行放大，所述程控放大电路包括多路复用器和放大器，FPGA通过控制多路复用器实现对放大器反馈电阻的控制，从而实现增益可调的放大电路，满足模数转换电路的采样要求；

步骤5、所述模数转换电路在FPGA的控制下，以低频采集的方法将满足要求的被测信号进行数字化转换。

根据本发明的另一方面，提出一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集装置，包括：接收天线、前置放大电路、滤波电路、程控放大电路、模数转换电路和控制器；

所述的前置放大电路选用三运放仪表放大器，该结构输入阻抗高，抑制共模干扰；

所述的控制器选用FPGA，实现对滤波电路、程控放大电路和模数转换电路的灵活控制；

所述的滤波电路具有双频选择功能，通过FPGA对模拟开关的控制，实现滤波频率的选择；

所述的程控放大电路由FPGA控制，通过多路复用器控制接入放大器的反馈电阻，达到程控增益的目的；

所述的模数转换电路利用低频采集技术实现对高频信号幅度和相位的检测；

所述的低频采集满足条件：qf_s＝pf₀；其中，p、q为不小于2的整数，且q>p。通过选择恰当的p和q实现对待采样信号的恢复。

有益效果：

现有的随钻方位电磁波电阻率仪器受模数转换器最高采样频率的限制，一般采用超外差方式对接收线圈的信号进行下变频处理，得到中低频信号后再进行采样，或选用具有高采样率的模数转换芯片，实现被测信号的恢复。超外差方式增加了电路的复杂度和功耗，并引入额外的噪声；高采样率的模数转换芯片，增加了采样成本且损失了采样精度。而采用本发明的低频采集技术可以避免上述缺点，以较低的采样率恢复出被测信号的幅度和相位，不仅可以降低对模数转换芯片采样率的要求，还能够简化电路结构,提高仪器的信噪比水平，降低仪器功耗。

附图说明

图1为随钻方位电磁波电阻率仪器接收信号采集处理流程；

图2为低频采集技术示意图；

图3为低频采集后得到的恢复信号。

具体实施方式

下面将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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，本发明公开一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法，用于采集高频微弱信号。

如图1所示，所述随钻方位电磁波电阻率仪器信号采集电路，包括接收天线、前置放大电路、滤波电路、程控放大电路、模数转换电路和控制器；其中，任一通道磁场信号处理和采集流程如图1所示：

所述接收天线用于拾取经地层衰减或边界反射后的磁感应信号，并将接收到的磁感应信号转换成电信号，供后续电路处理。

所述前置放大电路采用三运放仪表放大器，将接收天线上感应到的幅值水平在nV级别的微弱信号进行固定增益放大，此电路结构可实现高输入阻抗，且可消除共模干扰，以非常小的误差放大接收天线上的微弱信号。

所述控制器选用可编程门阵列(FPGA)，实现对滤波电路、程控放大电路以及模数转换电路的时序控制。

所述滤波电路包括模拟开关和两种不同频率的低通滤波器，针对不同频率的接收信号，FPGA控制器通过控制模拟开关的通断实现滤波频率的选择。

所述程控放大电路包括多路复用器和放大器，FPGA通过控制多路复用器实现对放大器反馈电阻的控制，从而实现增益可调的放大电路，满足模数转换电路的采样要求。

所述模数转换电路在FPGA的控制下，以低频采集的方法将满足要求的被测高频信号进行数字化转换。

根据本发明的实施例，所述低频采集方法，是指选用低于奈奎斯特采样率的采样频率，实现被测信号不失真地恢复幅度和相位的采集技术。

所述低频采集方法采用的采样频率f_s与被测信号的频率f₀之间满足关系：qf_s＝pf₀,p、q为不小于2的正整数，且q>p；

利用所述低频采集技术还原被测信号幅度A和相位

的方法包括以下步骤：

a.依据被测信号的频率f₀设计采样频率f_s，所述f_s需满足qf_s＝pf₀,p、q为不小于2的整数，且q>p；

具体地，所述采样频率f_s与其能够不失真恢复幅度和相位的目标信号频率f_x之间满足

n取

的最大整数，

a为小于p的正整数。

b.利用所述采样频率f_s对目标信号周期T_x内的被测信号进行采样得到离散序列x[k]，k为对应采样时间内的第k个采样点；k为0到p-1之间的整数；

具体地，周期

f_x为低频采集后所恢复信号的目标信号频率。

c.将低频采集得到的离散序列x[k]传输给FPGA控制器，供后续数字电路进行存储和处理。

所述低频采集技术实现了对高频信号的数字化处理，无需使用高采样率的ADC芯片，节省了采样成本，更无需复杂的硬件电路，提升了信噪比水平。

本设计中，以接收天线接收到频率分别为400kHz和2MHz的微弱信号为例，进一步阐述本专利提出的低频采集技术方案。

低频采集技术的具体工作原理如图2所示，图中虚线信号为被测高频信号，实线信号为低频采集的恢复信号，实线信号可以不失真地恢复出被测信号的幅度和相位。进行低频采集后，通过计算可恢复出幅度和相位。

低频采集技术中，采样频率的确定是该发明的关键，若要不失真地还原被测信号的幅度和相位，需要满足低频采集技术的一个基本条件：qf_s＝pf₀。其中，p、q为不小于2的整数，且q>p，f₀为被测信号的频率，f_s为采样频率。

设f₀>nf_s，取f_x＝f₀-nf_s，n取不大于

的最大整数值，

a为小于p的正整数。这样可以得到：

f_x为低频采集结果的目标信号频率,f_s为低频采样频率。

被测的模拟信号可以表示为：

A、f₀、

分别为被测信号的幅度、频率和相位。若以f_s的采样频率对其进行采样，可以得到离散后的数字信号：

本设计对目标频率为f_x的恢复信号每周期采样8个点，即p＝8，通过低频采集的基本条件可以计算400kHz和2MHz被测信号的p值和q值，但需注意，对于固定频率下的低频采集技术，计算得到的p值和q值可以不唯一。为方便控制器FPGA对模数转换芯片进行控制，避免不同频率的被测信号对应的采样频率f_s不同而导致模数转换电路频繁切换，此处采用相同的采样频率f_s分别对400kHz和2MHz的被测信号进行低频采集，统一取f_s＝128kHz。因此，在采样频率确定的前提下，通过大量数据分析，可以取400kHz信号对应的q值为25，2MHz信号对应的q值为125。进一步可以计算出400kHz信号对应的a值为1，2MHz信号对应的a值为5。即：

f₀＝400kHz，f_s＝128kHz，p＝8，q＝25，a＝1，f_s＝128kHz，f_x＝16kHz；

f₀＝2MHz，f_s＝128kHz，p＝8，q＝125，a＝5，f_s＝128kHz，f_x＝80kHz。

确定p和a值后，进一步对离散后的数字信号S(k)进行分析，

当p＝8，a＝1时，

当p＝8，a＝5时，

S₁(k)代表a值取1，p值取8时的S(k)，S₅(k)代表a值取5，p值取8时的S(k)。对比S₁(k)和S₅(k)，S1、S5是恢复出的信号，可以发现，S₁(k)＝(-1)^kS₅(k)，即当a＝5时，只需将奇数位置的采样点符号位取反，即可恢复出与a＝1时相同频率的目标信号，离散的目标信号保留了被测模拟信号S(t)的幅度和相位。因此，对于2MHz的被测信号，本设计中将其奇数位采样点的符号位取反，即可将其目标信号频率从80kHz变换为16kHz，与400kHz的目标频率相同，这样可以配置ADC芯片以相同的采样频率对两个被测信号进行数字化处理，避免了控制器FPGA对模数转换电路的频繁控制，简化了代码的复杂度。

根据上述分析，在控制器FPGA内部设置128kHz的采样时钟，用于配置模数转换模块，实现对400kHz和2MHz模拟被测信号的低频采集。低频采集后的离散数据被FPGA处理和计算。下图3为在FPGA内部逻辑分析仪得到的恢复信号。逻辑分析仪设置的采样频率为128kHz，每两个时间戳(Time Bar)之间为8个采样点，从图3中可以恢复得到频率为16kHz的目标信号，从而实现了对高频信号的低频采集。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法，其特征在于，包括：

步骤1、接收天线用于拾取经地层衰减后的磁感应信号，并将接收到的磁感应信号转换成电信号，供后续电路处理；

步骤2、前置放大电路将接收天线上感应到的幅值水平在nV级别的微弱信号进行固定增益放大，所述前置放大电路采用三运放仪表放大器，实现高输入阻抗，并消除共模干扰；

步骤3、通过控制器控制滤波电路，对前述放大后的信号进行滤波，所述滤波电路包括模拟开关和两种不同频率的低通滤波器，针对不同频率的接收信号，FPGA控制器通过控制模拟开关的通断实现滤波频率的选择；

步骤4、利用程控放大电路对滤波后的信号进行放大，所述程控放大电路包括多路复用器和放大器，FPGA通过控制多路复用器实现对放大器反馈电阻的控制，从而实现增益可调的放大电路，满足模数转换电路的采样要求；

步骤5、所述模数转换电路在FPGA的控制下，以低频采集的方法将满足要求的被测信号进行数字化转换。

2.根据权利要求1所述的一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法，其特征在于，基于低频采集电路的采集方法如下：

(1)依据被测高频信号的频率f₀设计低频采样频率f_s，所述f_s需满足qf_s＝pf₀,p、q为不小于2的整数，且q>p；

(2)利用所述采样频率f_s对目标信号周期T_x内的被测信号进行采样得到离散序列x[k]，k为对应采样时间内的第k个采样点；k为0到p-1之间的整数；周期

f_x为低频采集后所恢复信号的目标信号频率；

(3)将低频采集得到的离散序列x[k]传输给FPGA控制器，供后续数字电路进行存储和处理。

3.根据权利要求2所述的一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集方法，其特征在于，进一步，利用所述低频采集方法计算被测信号幅度A和相位

的方法包括以下步骤：

(1)根据低频采样频率f_s，确定p、q、a值：

设f₀>nf_s，取f_x＝f₀-nf_s，n取不大于

的最大整数值，

a为小于p的正整数，这样得到：

被测的模拟信号表示为：

(2)A、f₀、

分别为被测信号的幅度、频率和相位，若以f_s的采样频率对其进行采样，得到离散后的数字信号：

(3)根据确定的p和a值，分析离散后的数字信号S(k)特征；

(4)计算目标信号的幅度A和相位

4.一种随钻方位电磁波电阻率仪器的信号采集装置，其特征在于，包括：接收天线、前置放大电路、滤波电路、程控放大电路、模数转换电路和控制器；

所述的前置放大电路选用三运放仪表放大器，该结构输入阻抗高，抑制共模干扰；

所述的控制器选用FPGA，实现对滤波电路、程控放大电路和模数转换电路的灵活控制；

所述的滤波电路具有双频选择功能，通过FPGA对模拟开关的控制，实现滤波频率的选择；

所述的程控放大电路由FPGA控制，通过多路复用器控制接入放大器的反馈电阻，达到程控增益的目的；

所述的模数转换电路利用低频采集技术实现对高频信号幅度和相位的检测；

所述的低频采集满足条件：qf_s＝pf₀；其中，p、q为不小于2的整数，且q>p。通过选择恰当的p和q实现对待采样信号的恢复。

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