DE4135708C2

DE4135708C2 - Empfangsvorrichtung

Info

Publication number: DE4135708C2
Application number: DE4135708A
Authority: DE
Inventors: Takashi Shimada; Satoru Inoue; Takaaki Maekawa; Akio Jitsumori
Original assignee: Japan National Oil Corp
Current assignee: JAPAN OIL, GAS AND METALS NATIONAL CORP., KAWASAKI
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2011-10-31
Also published as: GB2251159A; GB9122106D0; GB2251159B; ITRM910809A0; ITRM910809A1; CA2054163C; US5189415A; CA2054163A1; FR2669792A1; FR2669792B1; IT1250130B; DE4135708A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Empfangsvorrich tung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Bohren eines Öl- oder Gasbohrloches ist es wichtig, eine Information über geologische Eigenschaften wie z. B. Temperatur, Druck u. dgl. aus einem fallenden Bohrloch zu erhalten. Es gibt verschiedene herkömmliche Verfahren zur Messung einer solchen Information. Ein Meßverfahren umfaßt die Anordnung eines Bohrlochmeßinstrumentes im Erdboden von der Oberseite des gebohrten Loches, nach dem eine Bohrstange an der Erdoberfläche angehoben wor den ist. Ein anderes Verfahren besteht darin, Komponen ten einer Bohrflüssigkeit, als "Schlamm" (mud) bezeich net, zu messen, welche über die Bohrstange zwischen dem Loch und der Oberfläche während des Bohrens zirkuliert, so daß dieses Verfahren auch als Schlammaufzeichnungs verfahren bezeichnet wird.

Dennoch benötigen diese Verfahren viel Zeit zum Messen der Bohrlochinformation, und somit ist eine Realzeit messung dieser Information unmöglich. Aus diesem Grunde sind Meßverfahren mit dem Ziel der Realzeitmessung, welche als MWD (Measurement While Drilling, Messen wäh rend des Bohrens) bezeichnet wird, untersucht worden, und verschiedene Verfahren sind vorgeschlagen worden. Ein besonders interessantes Verfahren verwendet elektro magnetische Wellen.

Fig. 1 zeigt beispielsweise die Anordnung einer her kömmlichen Empfangsvorrichtung, wie sie im Aufsatz "Status report: MWD Technology" in der amerikanischen Zeitschrift PETROLEUM ENGINEER International, Oktober 1988 beschrieben ist. Gemäß dieser Figur steht ein Bohr gestell 2 auf dem Erdboden 1. Direkt unterhalb des Bohr gestells 2 ist ein Ölbohrloch 3 mittels Bohren gebildet. Nahe dem oberen Abschnitt des Ölbohrloches 3 ist ein Bohrrohr 4 aus Stahl vorgesehen, um einen Einsturz der Wand des Ölbohrloches zu verhindern. Zusätzlich er streckt sich ein Bohrgestänge 5 durch das Bohrrohr 4 und ragt aus diesem heraus. An der Spitze des Bohrgestänges 5 ist ein Bohrkragen 7 über einen Isolierkragen 6 ange bracht. Am oberen Abschnitt des Bohrgestänges 5 ist am Erdboden eine Bohrlochabsperreinrichtung 5a vorgesehen. An der Spitze des Bohrkragens 7 sitzt ein Bohrkopf 8. Wenn das Bohrgestänge 5 mit Hilfe eines Motors 14 über Ketten oder Getriebe gedreht wird, wird der Erdboden 1 aufgebohrt. Im Bohrkragen 7 ist eine Übermittlungsein richtung 9 enthalten, um eine Information aus dem Bohr loch zur Erdoberfläche zu übermitteln. Die Übermitt lungseinrichtung erfaßt Temperatur, Druck o. dgl. im fallenden Bohrloch, wandelt diese Werte in elektrische Signale um und sendet die Information in Form von modu lierten Signalen. Die Sendeanschlußkontakte der Über mittlungseinrichtung 9 sind an das Bohrgestänge 5 und den Bohrkragen 7 angeschlossen, welche über den Isolier kragen 6 miteinander verbunden sind. Somit dienen das Bohrgestänge 5 und der Bohrkragen 7 als Sendedipolan tenne zur Übersendung von modulierten elektromagne tischen Wellen von ultralanger Wellenlänge an die Erd oberfläche.

Am proximalen Abschnitt des Bohrgestells 2 ist eine Dipolempfangsantenne 11 zur Erfassung der vom Bohrloch übermittelten elektromagnetischen Wellen mit der ultralangen Wellenlänge vorgesehen. Der eine Kontakt der Empfangsantenne 11 ist aus dem Bohrrohr 4 herausgeführt, und der andere Kontakt wird von einer in den Erdboden eingegrabenen Elektrode 10 gebildet. Die elektromagneti schen Wellen mit der ultralangen Wellenlänge werden somit von der Antenne empfangen. Ein von der Empfangsan tenne 11 empfangenes Signal wird an einen Verstärker 12 übertragen, und das verstärkte Signal wird in einen Signalprozessor 13 eingegeben, um durch die Codierung des Signals die Information über das Bohrloch zu erhal ten. Als Ultralangwelle wird in Abhängigkeit von Ge steinschicht, Geologie und Tiefe eine Welle verwendet, deren Frequenz im Bereich von einigen 10 Hz liegt.

Ein Strom i_s fließt durch das Bohrgestänge 5 und den Erdboden, wenn eine elektromagnetische Welle in den Erdboden von der Übermittlungsvorrichtung 9 gesendet wird, wie in Fig. 1 mit von durchgezogenen Linien dar gestellt ist. In Fig. 1 sind vom Strom i_s gebildete äquipotentiale Linien E dargestellt. Die Empfangsantenne 11 erfaßt die Potentialdifferenzen. Das erfaßte Signal wird vom Verstärker 12 verstärkt und vom Signalprozessor 13 als Bohrlochinformation erkannt.

Das Bohrgestänge 5 wird direkt vom Motor 14 gedreht, so daß das Bohrgestell 2 die Spitze 8 zum Bohren antreibt. Wenn sich der Motor 14 dreht, fließen Masseströme i_n1, i_n2 und i_n3 durch Streukapazitäten C₁, C₂ und C₃ zwischen den elektrischen Leitungen und Masse, wie in Fig. 2 darge stellt ist, oder zwischen den Windungen des Motors 14 und dem Bohrgestell 2. Die Masseströme fließen in den Erdboden 1 durch das Bohrgestänge 5, das Schlammwasser 15, in Fig. 6 durch Schräglinien dargestellt, und das Bohrrohr 4, wie in Fig. 1 anhand von unterbrochenen Linien i_n dargestellt ist. Somit stören diese Ströme das Übermittlungssignal i_s und setzen das S/N-Verhältnis des Übermittlungssignals i_s herab. Dieser Strom i_n wird auch als Rauschstrom bezeichnet.

Bei der zuvor beschriebenen Anordnung der herkömmlichen Empfangsvorrichtung fließen Masseströme, wenn sich die elektrischen Maschinen (insbesondere der Motor), der auf einer Ebene des Bohrgestells installiert ist, in Betrieb befinden. Die Ströme stören das von der Antenne über den Erdboden empfangene Signal, so daß das S/N-Verhältnis des vom Erdboden empfangenen Signals sinkt. Dadurch entsteht das Problem, daß eine Informationsübermittlung von tiefen Stellen behindert und die Zuverlässigkeit der Information reduziert wird.

Es ist nun eine Rauschunterdrückungsschaltung bekannt, die ein adaptives Filter verwendet und das Rauschen unterdrückt, welches mit einem in solch eine Empfangs vorrichtung eingegebenen Signal vermischt ist.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Rauschunterdrückungsschaltung mit parallelen adaptiven Filtern, welche von B. Widrow et al. im Aufsatz "adapti ve filters and neutral networks for adaptive pattern recognition" in der Zeitschrift Nikkei Electronics, 1988, 5 (Nr. 455), S. 201-218 beschrieben ist. Gemäß Fig. 3 sind ein adaptiver Filter 31 und ein Subtra hierer 32 vorgesehen. Der adaptive Filter 31 empfängt als Referenzsignal ein Geräuschquellensignal n′(n), das eine große Korrelation mit einem in einem Haupteingangs signal S(n) enthaltenen Rauschsignal n(n) besitzt, die Filtereigenschaften auf der Grundlage eines Ausgangssig nals ε(n) des Subtrahierers 32 von selbst so einstellt, daß das mit dem Haupteingangssignal S(n) vermischte Rauschsignal n(n) unterdrückt wird, und überträgt ein Signal (n) an den Subtrahierer 32. Der Subtrahierer 32 subtrahiert das Ausgangssignal (n) des adaptiven Fil ters 31 vom Haupteingangssignal S(n) + n(n), welches das Rauschsignal n(n) enthält.

Nachfolgend wird die Funktionsweise erläutert.

Als Haupteingangssignal für die Rauschunterdrückungs schaltung wird ein Signal S(n), mit dem ein Rauschsignal n(n) vermischt ist, in den Subtrahierer 32 eingegeben. Zusätzlich wird ein Rauschquellensignal n′(n) mit star ker Korrelation mit dem Rauschsignal n(n) in den adapti ven Filter 31 als Referenzsignal eingegeben. Der adapti ve Filter 31, welcher seine Filtereigenschaften von selbst einstellt, wie nachfolgend noch erklärt wird, wandelt das Geräuschquellensignal n′(n) in das Signal (n) um, welches durch den Subtrahierer 32 vom Hauptein gangssignal S(n) + n(n), das das Rauschsignal n(n) ent hält, subtrahiert wird. Der adaptive Filter 31 stellt seine Filterfrequenzeigenschaften so ein, daß ein qua dratischer Mittelwert <ε²(n)< einen Minimalwert auf der Grundlage eines Subtraktionsergebnisses ε(n) des Subtra hierers 32 einnimmt. Als Folge wird das Eingangs-Aus gangs-Verhältnis des adaptiven Filters 31 kontinuierlich eingestellt, so daß der Filter eine optimale geschätzte Wellenform (n) ausgibt, welche der des mit dem Haupt eingangssignal S(n) vermischten Rauschsignals n(n) ähnelt, wenn das Rauschquellensignal n′(n) als Referenz signal eingegeben wird. Die Filtereigenschaften werden entsprechend dem folgenden Algorithmus eingstellt.

Das Ergebnis ε(n) der Subtraktion kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

ε(n) = S(n) + n(n) - (n)

In diesem Fall wird der quadratische Mittelwert der Subtraktion

<ε²(n)< = <[S(n) + n(n) - (n)]²<
= <S²(n)< + <S(n){n(n) - (n)}< + <{n(n) - (n)}²< (1)

Im allgemeinen haben Signal und Rauschen keine Korrela tion, und somit gilt folgende Näherung:

<S(n){n(n) - (n)}< = 0

Somit kann Gleichung (1) umgeschrieben werden zu

<ε²(n)< = <S²(n)< + <{n(n) - (n)}²< (2)

Gleichung (2) zeigt, daß ein variierendes n′(n) derart, daß der quadratische Mittelwert <ε(n)< einen Minimumwert einnimmt, keinen Einfluß auf den quadratischen Mittel wert des Signals hat. Zusätzlich ist bei minimalem <ε²(n)< auch <{n(n)-n(n)}²< minimal und wird (n) eine optimale Näherung von n(n). Als Ergebnis wird ε(n) zu einer Näherung von S(n).

Eine herkömmliche Rauschunterdrückungsschaltung mit einem adaptiven Filter in der zuvor beschriebenen Anord nung beseitigt das Rauschen in bezug auf ein einziges Rauschquellensignal. Jedoch kann eine wirksame Rausch unterdrückung dann nicht durchgeführt werden, wenn von mehreren Rauschquellen erzeugte Rauschsignale ein Signal stören, so daß der Anteil des Restrauschens ansteigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung von mehreren Rauschquellen erzeugte Rauschsignale in einem Signal wirkungs voll zu unterdrücken.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei welcher die Rauschunterdrückungsschaltung parallele adaptive Filter verwendet, sind in der Rauschunterdrückungsschaltung mehrere parallel zueinander geschaltete adaptive Filter, ein Addierer zur Aufsummierung der Aus gangssignale der adaptiven Filter und ein Subtrahierer zur Subtraktion eines Ausgangssignals des Addierers von einem Haupteingangssignal vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die von der Empfangsantenne empfangenen Rauschsignale vom Rauschde tektor erfaßt und die das Übermittlungssignal störenden Rauschsignale unter Verwendung des erfaßten Signals beseitigt. Dies macht es möglich, ein Übertragungssignal mit hohem S/N-Verhältnis zu erhalten, wodurch die Deco dierung des Übermittlungssignals sehr zuverlässig durch geführt werden kann.

Die Rauschunterdrückungsschaltung, die parallele adapti ve Filter verwendet, enthält mehrere adaptive Filter, die in paralleler Weise angeordnet sind, sowie den Addierer zur Aufsummierung von Ausgangssignalen des adaptiven Filters. Somit werden die von mehreren Rausch quellen erzeugten Rauschsignale beseitigt, und die übrig bleibenden Rauschsignale können reduziert werden.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:.

Fig. 1 in skizzierter Darstellung die Anordnung einer herkömmlichen Empfangsvorrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstel lung des von einer Antriebsschal tung 22 und den Anschlußleitungen eines Motors 14 über Streukapazi täten zum Erdboden fließenden Massestromes;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer herkömm lichen Rauschunterdrückungsschal tung mit einem adaptiven Filter;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfin dungsgemäßen Ausführung einer Empfangsvorrichtung;

Fig. 5, 6, 7 und 8 Blockschaltbilder weiterer erfin dungsgemäßer Ausführungen;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Rausch unterdrückungsschaltung mit mehre ren parallelen adaptiven Filtern;

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Rausch unterdrückungsschaltung mit adap tiven Filtern der FIR-Art; und

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer Rauschunter drückungsschaltung.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Fig. 4 zeigt eine Ausführung einer Empfangsvorrichtung. In dieser Figur werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder entsprechenden Abschnitte und Elemente wie in Fig. 1 verwendet, wobei auf diese Abschnitte und Elemente nicht mehr näher eingegangen werden soll.

Zur Erfassung eines Stromflusses durch ein Bohrrohr 4 ist eine Ringspule 16 vorgesehen. Die Ringspule 16 ist um einen Kern 17 gewickelt. Zur Verstärkung des Aus gangssignals der Ringspule 16 ist ein Verstärker 18 vorgesehen. Die Ringspule 16 und der Verstärker 18 bil den zusammen einen Rauschdetektor 28. Zur Einstellung von Amplitude und Phase des Ausgangssignals vom Verstär ker 18 ist eine erste Einstellschaltung 20 vorgesehen. Zur Einstellung von Amplitude und Phase des Ausgangssig nals vom Verstärker 12 ist eine zweite Einstellschal tung 21 vorgesehen. Eine Additions-Subtraktions-Schal tung 22 beseitigt eine Ausgangssignalkomponente der ersten Einstellschaltung 20 aus einem Ausgangssignal der zweiten Einstellschaltung 21. Die Einstellschaltungen 20 und 21 und die Additions-Subtraktions-Schaltung 22 bil den zusammen eine Rauschunterdrückungsschaltung 19. Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser Anordnung beschrieben. Hier sind das Übertragungsverfahren und die Verwendung einer elektromagnetischen Welle sowie das Bohrverfahren eines Bohrschachtes durch ein Bohrgestell 2 dieselben wie beim Stand der Technik, so daß auf eine Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden soll.

Wie anhand des Standes der Technik bereits beschrieben worden ist, fließt bei Empfang eines Übermittlungssig nals vom eines Loches während des Bohrens ein Teil i_n1 eines von den elektrischen Maschinen des Bohrgestells 2 verursachten Rauschstromes i_n2 von einem Bohrgestänge 5 in den Boden über Schlamm 15 und das Bohrrohr 4, wie Fig. 4 erkennen läßt. Anschließend tritt der Strom i_n1 in die Empfangsantenne 11 ein.

Außerdem läuft ein Teil i_n1 des Übertragungssignals i_s0 durch das Bohrgestänge 5 und den Erdboden 1 und erreicht die Oberfläche des Erdbodens, wo die Empfangsantenne angeordnet ist. Der Rest i_s2 des Signals i_s0 läuft bis zum oberen Abschnitt des Bohrgestänges 5, welches aus dem Erdboden herausragt, und erreicht eine Stelle des Bohr gestells 2, an dem ein Motor 14 installiert ist.

Unter der Annahme, daß die Frequenz des Übertragungssig nals i_s0 f₀ und das Frequenzband des Rauschstromes f₂-f₁ = Δ f ist, kann das Verhältnis dieser Frequenzen wie folgt ausgedrückt werden:

f₁ < f₀ < f₂ (3)

Die Frequenz des Übertragungssignals ist also im Fre quenzband f₁-f₂ enthalten. Dementsprechend kann ein herkömmliches Filter das Rauschen nicht beseitigen.

Aus diesem Grunde werden die Rauschkomponenten des Über tragungssignals von einem anderen Verfahren als mit Hilfe der Empfangsantenne 11 zum Empfang des Übertra gungssignals erfaßt. Die erfaßten Rauschkomponenten werden vom Übertragungssignal subtrahiert, wodurch die Rauschkomponenten beseitigt werden und man das Übertra gungssignal erhält. Dieses Prinzip wird nachfolgend näher erläutert. Zur Vereinfachung der Erklärung werden die Signale als Skalare ausgedrückt.

In der Erdbodenoberfläche fließen das Übertragungssignal i_s1 und der Rauschstrom i_n1 gegenüber der Empfangsantenne in derselben Richtung. Außerdem haben diese Signale i_s1 und i_n1 dieselbe Phase. Dementsprechend kann das von der Empfangsantenne 11 empfangene Signal, also das Ausgangs signal des Verstärkers 12, wie folgt ausgedrückt werden:

e₁₁ = a₁₁(i_s1 + i_n1) (4)

wobei a₁₁ ein Stromspannungswandlungskoeffizient des Verstärkers 12 ist.

Außerdem fließen die durch das Bohrgestänge 5 fließenden Ströme i_s2 und i_n2 in entgegengesetzten Richtungen an der Stelle, wo die Ringspule 16 angeordnet ist. Dement sprechend kann der von der Ringspule 16 erfaßte Strom, also das Ausgangssignal des Verstärkers 18 durch folgen de Gleichung ausgedrückt werden:

e₁₆ = a₁₆(i_s2 - i_n2) (5)

wobei a₁₆ der Stromspannungswandlungskoeffizient des Ver stärkers 18 ist. Die Amplituden der Rauschströme i_n1 und i_n2 werden von den Einstellschaltungen 20 und 21 einge stellt, so daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

k · i_n1 = i_n2 (6)

Anschließend kann das Ausgangssignal der Additions- Subtraktions-Schaltung 22 wie folgt ausgedrückt werden:

e₀ = e₁₁ + e₁₆ (7)

e₀ = k · a₁₁(i_s1 + i_n1) + a₁₆(i_s2 - i_n2) (8)

e₀ = k · a₁₁ · i_s1 + a₁₆ · i_s2 (9)

Gleichung (9) ist aus der Gleichung (6) (k · i_n1=i_n2) und a₁₁=a₁₆ und zeigt, daß die Komponenten des Rausch stromes i_n aus dem Ausgangssignal der Additions-Subtrak tions-Schaltung 22 beseitigt werden. Die Beseitigung des Rauschens macht es möglich, das S/N-Verhältnis des Über tragungssignals zu verbessern, wodurch die Zuverlässig keit des Decoders 13 ansteigt.

Obwohl die Ringspule 16 am Kopf des Bohrschachtes unter dem Bohrgestell in dieser Ausführung angeordnet sein kann, kann sie auch an anderen Stellen angeordnet sein. Beispielsweise kann die Ringspule 16 an einer Stelle des Bohrgestells angeordnet sein, an dem der Motor 14 in stalliert ist, wie Fig. 5 zeigt, so daß der durch das Bohrgestänge 5 fließende Rauschstrom erfaßt wird.

Außerdem kann gemäß Fig. 6 ein Zweigstrom i_n0 des durch das Bohrrohr 4 fließenden Stromes erfaßt werden, indem ein Anschlußdraht 23 am Bohrrohr 4 angeschlossen, ein Erdstab 24 in den Erdboden eingegraben und eine Strom sonde (Stromwandler) 25 am Anschlußdraht 23 angeschlos sen ist. Ein Rauschbeseitigungsverfahren, das dem Ver fahren der zuvor beschriebenen Ausführung ähnelt, kann das Rauschen beseitigen.

Außerdem kann gemäß Fig. 7 ein Rauschstrom zur Beseiti gung des Rauschens erfaßt werden, indem ein durch eine Erdleitung 26 fließender Strom i_n3 gemessen werden kann, um einen elektrischen Schlag am Bohrgestell 2 zu vermei den, anstatt daß der durch den Anschlußdraht 26 fließen de Strom gemessen wird.

Außerdem kann man ein Signal zur Rauschunterdrückung durch Messung der Schwankungen eines Laststroms des Motors als Rauschquelle oder der Schwankungen des Aus gangsstroms eines Generators unter Verwendung der Strom sonde 25 oder durch Addition der gesamten Stromsignale erhalten.

Obwohl in dieser Ausführung die Einstellschaltungen 20 und 21 der Rauschunterdrückungsschaltung 19 nur den Pegel der Eingangssignale e₁₁ und e₁₆ einstellen sollen, können sie ebenfalls eine Phaseneinstellfunktion be sitzen, um die Phasendifferenz der beiden Eingangssigna le zu beseitigen.

Schließlich verlieren die von den Einstellschaltungen 20 und 21 abgegebenen beiden Wellenformen ihre Realzeitkor relation, wenn die Übertragungseigenschaften der beiden von der Empfangsantenne 11 und der Ringspule 16 erfaßten Signale voneinander abweichen. Dementsprechend sind die Pegel- und Phaseneinstellfunktionen zur Unterdrückung des Rauschens nicht ausreichend. In einem solchen Fall kann man ähnliche Wirkungen durch die folgenden Verfah ren erhalten: Zuerst werden die Ausgangssignale der Einstellschaltungen 20 und 21 durch Filter geleitet, so daß sie einer Bandbegrenzung unterworfen werden, und anschließend erhält man die Differenz aus diesen beiden Signalen. Dann werden die Übertragungseigenschaften der beiden Signale e₁₁ und e₁₆ durch Verwendung eines in Fig. 8 gezeigten adaptiven Filters 27 zur Beseitigung des Rauschens miteinander in Übereinstimmung gebracht.

Gemäß der zuvor erfolgten Beschreibung erhält man den Rauschstrom zur Beseitigung des Rauschens durch Erfas sung eines durch das Bohrgestänge fließenden Stromes oder eines durch die Erdleitung zur Unterdrückung eines elektrischen Schlages fließendes Stromes. Diese durch das Bohrgestänge oder die Erdleitung fließenden Ströme weisen gleichwohl manchmal unterschiedliche Rauschkompo nenten auf. Außerdem können in einigen Fällen Rausch ströme erfaßt werden, die andere Rauschkomponenten ent halten. In solchen Fällen ist es nicht ausreichend, das Rauschen zu beseitigen, indem man sich nur auf einen Rauschstrom bezieht, da dieses Verfahren eine Mehrzahl von Rauschkomponenten nicht beseitigen kann, und somit können die restlichen Rauschanteile nur in ungenügender Weise reduziert werden.

Um dieses Problem zu lösen, wird eine Rauschunter drückungsschaltung vorgesehen, die mehrere parallel angeordnete adaptive Filter enthält, um unterschiedliche Rauschkomponenten unter Verwendung mehrerer Referenz rauschsignale beseitigen zu können.

Fig. 9 zeigt eine Ausführung einer Rauschunter drückungsschaltung mit mehreren adaptiven Filtern als mögliches Beispiel der in Fig. 8 gezeigten Rauschunter drückungsschaltung. Gemäß Fig. 9 sind adaptive Filter 31 _j (j = 1, 2, ..., k), ein Subtrahierer 32 und ein Addierer 33 vorgesehen. Fig. 10 enthält ein Block schaltbild, wonach adaptive Filter der FIR-Art (FIR = Finite Impulse Response bzw. endliche Impulsantwort) als adaptive Filter 31 _j verwendet werden. Gemäß Fig. 9 sind außerdem 1-1 Verzögerungsschaltungen 31 _j,1 mit einer bestimmten Verzögerungszeit t, Multiplizierer 31 _j,2, die ihr Eingangssignal mit einem variablen Koeffizienten h_{j, m} (n) (m = 1, 2, ..., k) multiplizieren, ein Addierer 31 _{j, 3}, der die Ausgangssignale sämtlicher Multiplizierer 31 _{j, 2} aufsummiert und eine Koeffizientensteuereinheit (coefficient controller) 31 _{j, 4} zur Steuerung der variab len Koeffizienten vorgesehen.

Nachfolgend wird die Funktion anhand von Fig. 9 be schrieben.

Es soll angenommen werden, daß ein Haupteingangssignal als S(n) und die in das Haupteingangssignal S(n) einge flossenen Rauschanteile als n_j(n) (j = 1, 2, ..., k) ausgedrückt werden und daß die Referenzeingangssignale Rauschquellensignale n′_j(n) mit starker Korrelation mit den mit dem Haupteingangssignal S(n) vermischten Rauschanteilen n_j(n) sind. Jedes Referenzeingangssignal wird zu jedem der adaptiven Filter 31 _j geleitet, und die Ausgangssignale der adaptiven Filter 31 _j werden vom Addierer 33 aufsummiert. Nachfolgend wird die vom Addierer 33 ausgegebene Gesamtsumme durch den Subtrahierer 32 vom Haupteingangssignal subtrahiert, mit welchem die Rauschanteile vermischt sind.

Die adaptiven Filter 31 _j erzeugen einen quadratischen Mittelwert <ε²(n)< auf der Grundlage des Subtraktionser gebnisses ε(n) und stellen die Filtereigenschaften so ein, daß der quadratische Mittelwert minimiert wird. Wenn die Rauschquellensignale n′_j(n) als Referenzsignale eingegeben werden, erzeugen die adaptiven Filter 31 _j als Ergebnis an ihrem Ausgang ungefähre Wellenformen _j(n) (j = 1, ..., k) der mit dem Haupteingangssignal vermischten Rauschanteile n_j(n). Somit werden die mit dem Hauptein gangssignal vermischten Rauschanteile n_j(n) durch die angenäherten Wellenformen _j(n) beseitigt, so daß das Subtraktionsergebnis ε(n) dem Signal S(n) angenähert ist.

Die Eigenschaften der adaptiven Filter werden nach fol gendem Algorithmus eingestellt.

Zuerst kann das Subtraktionsergebnis ε(n) durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

<S(n) · n_j(n)< (j = 1, . . . k) = 0
<n_i(n) · n_l(n)< (i = 1, . . . k, l = 1, . . . k, i ≠ l) = 0
<n_i(n) · _l(n)< (i = 1, . . . k, l = 1, . . . k, i ≠ l) = 0

Der quadratische Mittelwert des Subtraktionsergebnisses lautet wie folgt:

ε(n) = S(n) + n_l(n) + . . . + n_k(n) - _l(n) - . . . - _k(k)

Da das Haupteingangssignal und die Rauschanteile keine Korrelation und auch die Rauschanteile selbst keine Korrelation besitzen, erhält man folgende Annäherung:

<ε²(n)< = <[S(n) + n_l(n) + . . . + n_k(n) - _l(n) - . . . - _k(n)]²< (10)

Aus diesen Annäherungen kann Gleichung (3) wie folgt angenähert werden:

<ε²(n)< = <S²(n)< + <{n_l(n) - _l(n)}²< + . . . + <{n_k(n) - _k(n)}²< (11)

Gleichung (11) zeigt, daß sogar dann, wenn _j(n) <j = 1, ..., k< verändert wird, so daß der quadratische Mittel wert <ε²(n)< minimal wird, der quadratische Mittelwert des Signales nicht beeinflußt wird. Wenn der quadrati sche Mittelwert <ε²(n)< seinen Minimalwert einnimmt, werden die zweiten und folgenden Terme der rechten Seite der Gleichung (11), d. h. die Terme

<{n_l(n) - _l(n)}²< + . . . + <{n_k(n) - _k(n)}²<

minimal, und ε(n) stellt eine optimale Näherung von S(n) dar.

Anschließend wird der Betrieb der adaptiven Filter an hand einer Anordnung beschrieben, bei der die in Fig. 10 gezeigten adaptiven Filter der FIR-Art als adaptive Filter 31 _j verwendet werden.

Die entsprechenden Eingangssignale der adaptiven Filter 31 _j werden nacheinander um eine bestimmte Zeit τ mittels der in Kaskade geschalteten 1-1 Verzögerungsschal tungen 31 _{j, 1} verzögert. Anschließend werden die verzöger ten Signale mit den Koeffizienten h_{j, m} (n) (m = 1, ..., l) multipliziert, und die Gesamtsumme aus diesen erhält man durch den Addierer 31 _{j, 3}. Wenn n′_j(n) in die adaptiven Filter 31 _j eingegeben wird, erhält man ein Ausgangssi gnal, das durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:

Außerdem erzeugt die Koeffizientensteuereinheit 31 _{j, 4}, die das Subtraktionsergebnis ε(n) empfängt, nacheinander die Koeffizienten h_{j, m} (n) (m = 1, ..., k), um den quadra tischen Mittelwert <ε²(n)< entsprechend einem nachfol gend beschriebenen adaptiven Algorithmus zu minimieren.

Der von B. Windrow et al. vorgeschlagene adaptive Algo rithmus wird als LMS-Verfahren (LMS = Least Mean Square bzw. kleinster quadratischer Mittelwert) bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden die Koeffizienten h_{j, m} (n), die den Wert <ε(n)< minimieren, entsprechend der folgenden Gleichung unter Verwendung der Rauschquellensignale n′_j(n) und des Subtraktionsergebnisses ε(n) aktualisiert:

h_{j · m}(n + 1) = h_{j · m}(n) + µ · ε(n) · n′_j(n) (12)

wobei µ eine beliebige feste reelle Zahl ist, die die Schrittgröße der Aktualisierung definiert.

Obwohl die Ausgangssignale der adaptiven Filter 31 _j vom Addierer 33 in der zuvor beschriebenen Ausführung auf summiert werden, kann ein wichtender Addierer 35 an stelle des Addierers 33 verwendet werden, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Außerdem können Wichtungskoeffizienten des wichtenden Addierers 31 automatisch mit Hilfe eines adaptiven Algorithmus gesteuert werden.

Obwohl in der zuvor beschriebenen Ausführung die adapti ven Filter der FIR-Art als adaptive Filter verwendet werden, können auch Filter der IIR-Art (IIR = Infinitive Impulse Response bzw. unendliche Impulsantwort) verwen det werden. Obwohl die zuvor beschriebene Ausführung das von B. Widrow vorgeschlagene LMS-Verfahren als adaptiven Algorithmus verwendet, können auch andere adaptive Algo rithmen wie z. B. ein Lernverfahren zur Systemidentifika tion oder ein RLS-Verfahren (RLS = Recursive Least Square bzw. rekursives kleinstes Quadrat) verwendet werden.

Claims

1. Empfangsvorrichtung zum Empfang von Informationen, die vom Bohrlochtiefsten an die Oberfläche mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen übermittelt werden, mit einer Empfangsantenne (11) zum Empfang eines vom Bohrlochtiefsten übermittelten Signals; gekennzeichnet durch
einen Rauschdetektor (28) zur Erfassung des von der Empfangsantenne (11) empfangenen Rauschstromes; und
eine Rauschunterdrückungsschaltung (19) zur Beseitigung der von der Empfangsantenne (11) empfangenen Rauschkom ponenten durch Vergleich eines Ausgangssignals von der Empfangsantenne (11) mit einem Ausgangssignal vom Rauschdetektor (28).

2. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der Empfangsantenne (11) an ein Bohrrohr (4), ein Steigrohr oder ein Ausbruchsventil zur Bildung einer Elektrode angeschlossen ist oder aus einer Elektrode besteht, die in den Erdboden nahe eines Bohrloches eingegraben ist, und der andere Anschluß aus einer Elektrode besteht, die in einem bestimmten Abstand vom Bohrloch in den Erdboden eingegraben ist.

3. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschdetektor (28) zur Messung eines elektrischen Stromes vorgesehen ist und einen durch das Bohrrohr (4), das Steigrohr und ein Bohrgestänge (5) fließenden Strom, einen durch eine Erdleitung (26) eines Bohrgestells (2) fließenden Strom, einen Laststrom einer im Bohrgestell (2) installierten elektrischen Ausrüstung oder einen Ausgangsstrom eines Generators mißt.

4. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschdetektor (28) zur Erfassung des durch das Bohrrohr (4) oder das Steigrohr fließenden Stroms eine Ringspule (16) und einen Verstär ker (18) aufweist.

5. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschdetektor (28) zur Erfassung des durch das Bohrrohr (4) oder das Steigrohr fließenden Stromes einen Strom erfaßt, der durch ein Kabel (26) fließt, dessen eines Ende am Bohrrohr (4) oder der Steigleitung angeschlossen und dessen anderes Ende in den Erdboden eingegraben ist.

6. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschunterdrückungs schaltung (19) einen Filter (27) zur Begrenzung des Frequenzbandes eines Ausgangssignals der Empfangsantenne (11) und des Rauschdetektors (28) und eine Einstell schaltung (20, 21) zur Einstellung von Amplitude und Phase des Ausgangssignals aufweist.

7. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschdetektor (28) mehrere Analog-Digital-Wandler, adaptive Filter und Subtrahierer aufweist.

8. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschunterdrückungs schaltung (19) mehrere parallel zueinander geschaltete adaptive Filter (31i bis 31k), einen Addierer (33) zur Aufsummierung der Ausgangssignale der adaptiven Filter (31i bis 31k) und einen Subtrahierer (32) zur Subtrak tion eines Ausgangssignals des Addierers (33) von einem Haupteingangssignal aufweist.

9. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptiven Filter (31i bis 31k) aus adaptiven Filtern der FIR-Art bestehen.

10. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptiven Filter (31i bis 31k) aus adaptiven Filtern der IIR-Art bestehen.

11. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Addierer (33) aus einem wichtenden Addierer besteht.

12. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der adaptiven Filter nach einem Algorithmus eines LMS-Verfahrens, eines Lern verfahrens zur Systemidentifikation oder eines RLS- Verfahrens arbeitet.