李 科魯保平張家田

(1.西安石油大學電子工程學院 陜西西安) (2.中國石油測井有限公司技術中心 陜西西安)

數字相敏檢波器在測井儀器中的應用研究

李 科1、2魯保平2張家田1

(1.西安石油大學電子工程學院 陜西西安) (2.中國石油測井有限公司技術中心 陜西西安)

在測井儀器的信號采集設計中,需解決在惡劣工作環(huán)境中對微弱信號的精確測量的問題。常規(guī)的相關檢測一般都采用模擬開關相敏檢波來實現(xiàn)。然而硬件的相關檢測方法,受到元器件溫度性能的影響,表現(xiàn)為在高溫情況下存在嚴重的測量誤差。文章針對于目前測井儀器中的模擬相敏檢波器的存在的穩(wěn)定性低的缺點,提出了采用數字相敏檢波器實現(xiàn)相關檢測的的方法。該方法克服了溫度變化所產生的影響,能夠更精確的進行小信號的相關檢測,最后使用MATLAB對文中的數字相敏檢波算法進行了仿真驗證。

相關檢測;數字相敏檢波器;等效采樣

0 引 言

電阻率測井儀器一般是通過一個發(fā)射線圈或者電極向地層發(fā)射一個單一頻率的正弦波或者多種頻率正弦波疊加的電壓或者電流信號,在與發(fā)射相隔一定距離處的接收線圈或者電極接收經過地層電阻衰減的電壓或者電流信號,根據接收到的電壓或者電流信號的變化來反映地層電阻率的變化,并依據電阻率來劃分地層巖性、估算儲層含氫飽和度,進而評價儲集巖層的油氣產能的一種測井方法。由于地質結構復雜,電阻率的變化范圍非常大,因此接收到的電壓或電流信號也同樣具有很寬的變化范圍。為了能精確地測量經過地層反饋回來的有用電信號,一般都采用相敏檢波的相關檢測方法來提取有用信號。模擬乘法器基本采用模擬開關來實現(xiàn)。由于測井儀器一般工作在的高溫高壓環(huán)境下,因此對元器件的溫度性能要求很高,復雜的硬件電路對測量精度帶來了嚴重的影響,且本文提出了用數字相敏檢波器代替模擬相敏檢波器應用研究。

1 模擬相敏檢波的原理

目前的常規(guī)的電法測井儀器中對于檢波器的設計仍采用模擬的方法來實現(xiàn)?？梢苑譃閮深?一種是參考信號和輸入信號同為正弦波;一種是參考信號為方波,輸入信號為正弦波。對于兩組不同的信號檢測,也采用兩種不同的方案進行相關檢測。

方案一:采用變壓器和雙極型三極管組成的正弦波檢正弦波的相敏檢波器,原理圖如圖1所示;方案

圖1 正弦波相敏檢波器原理

二:是把正弦波先進行波形變化轉化為方波,再進行相關性運算,也就是參考信號為方波的相敏檢波器,原理圖如圖2所示。

圖3 方波相敏檢波器原理

從圖可以看出當輸入信號和參考信號同相時,檢波器將輸出直流電壓;當輸入信號和參考信號正交時,輸出的電壓值為零。

模擬相敏檢波器雖然可以有效地抑制噪聲信號,但是工作在高溫高壓環(huán)境下的測井儀器,由于溫度的變化使得各元器件的性能發(fā)生變化,從而引起的相位漂移和零漂都對測量結果帶來不穩(wěn)定的影響。

2 數字相敏檢波的方法及實現(xiàn)

目前各種高性能的數字信號處理器的廣泛應用,數字相敏檢波器以其可靠性、靈活性已經在逐步取代傳統(tǒng)的模擬相敏檢波器。數字相敏檢波器有兩部分組成:以DSP為核心的硬件電路和軟件算法。

2.1 數字相敏檢波器的硬件實現(xiàn)

要對模擬信號進行數字運算,必須先采用A/D轉換器把模擬的電壓或者電流信號進行數字化轉換。數字相敏檢波器的核心部件是數字信號處理器(DSP),它主要用來完成數據的采集和相關運算。在進行A/D轉換之前我們必須對要轉換的被測信號和參考信號進行預處理[1～3],這樣就需要前置放大和濾波器。所以具體的硬件電路實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 硬件電路框圖

但是在高溫環(huán)境中由于元器件受溫度變化的影響,對于兩個通道的預處理電路,不能保證它們隨溫度的變化在性能上也發(fā)生相同的變化,因此在測井儀器中我們對圖3中的硬件電路進行了改進的硬件電路如圖4所示。

比較圖4與圖3可以看出兩種電路的不同之處是:改進后的電路增加了一個模擬選擇開關,而把兩個預處理電路通道變成了一個。采用改進的方案當元器件性能隨溫度變化時,硬件電路不僅對被測信號有影響,同時也影響參考信號,并且對兩者的影響是相同的。去掉這種影響的簡單辦法只要在DSP中把被測信號與參考信號進行相除運算就可以相抵消。

圖4 改進的硬件電路

采用了一個信號預處理通道后可以解決溫度變化所帶來的環(huán)境影響,但是同時也帶來了另一個問題:采樣時間上必然不能像雙通道那樣兩者同時采樣,也就是如何在分時采樣中保證信號的時不變性,由于參考信號作為一個的被測信號,它是一個時不變信號,對參考信號的采樣不受時間的影響,所以只要把被測信號和參考信號在采樣時的起始點對齊就可以解決分時采樣帶來的影響。

2.2 數字相敏檢波的算法

假設被測信號為:

參考信號為:

式中,A、B為信號幅度,θ0、θ′0為相角。

由于環(huán)境溫度因素的影響硬件電路性能的變化A、B、θ0、θ′0都將發(fā)生變化。對于相角的變化量,由于結果只注重相位差所以對于相位的測量結果不會帶來任何影響,但是對于幅度變化對測量結果的影響并沒有消除。因此為了克服幅度變化帶了的計算影響引入一個標準的信號:

分別在M個周期對被測信號和參考信號s(t)、r(t)進行M×N次等效采樣[2],采樣間隔為ts=1/fs=1/(N·f0)。采用反相采樣分段累加相關法[3]分別可以得到:

l=0,1,2,3……M-1。

同樣對基準信號進行同相采樣和正交采樣可得:

l=0,1,2,3……M-1。

以上各式中N=f0/fs,也就是每周期的采樣點數。

分別計算被測信號x(l)和參考信號r(l)與基準信號的相關性:

式(3)中Rx、Xx分別為被測信號與基準信號的同相分量和正交分量的累加和;同樣式(4)中Rr、Xr分別為參考信號與基準信號同相分量和正交分量的累加和。

從而可以求出被測信號M個周期的幅度和及與基準信號的相位:

參考信號M個周期的幅度和及與基準信號的相位:

根據以上對圖5硬件電路的分析?？梢缘贸?

K為被測信號與參考信號的幅度和的比值;Δ φ為被測信號與參考信號的相位差。

從式(7)可以看出,當預處理電路隨溫度變化出現(xiàn)的幅度變化和相位漂移都可以通過最終的計算消除。

3 MATLAB下的仿真驗證

運用以上相敏檢波的算法在MATLAB中進行仿真[4、5]。

設被測信號為:

參考信號為:

基準信號為:

對以上的復頻被測信號和參考信號在4個周期內進行39點采樣如圖5、圖6所示。

圖5 測井信號4周期39點等效采樣序列

圖6 參考信號信號4周期39點等效采樣序列

為了檢測出不同頻率的被測信號,要對標準信號分別在3種頻率下進行采樣:當ω=ω0時對基準信號在4個周期內進行39點采樣如圖7所示;當ω=2ω0時對基準信號在8個周期內進行39點采樣如圖8所示;當ω=4ω0時對基準信號在16個周期內進行39點采樣即如圖9所示。

圖7 ω=ω0正交與同相采樣信號序列

圖8 ω=2ω0正交與同相采樣信號序列

圖9 ω=4ω0正交與同相采樣信號序列

在MATLAB下進行仿真可得見表1。

表1 在MATLAB下進行仿真

假設預處理電路中幅度衰減為當前的0.8倍,相位漂移5°,經過仿真計算可得見表2。

從表1和表2中的計算結果比較可以看出:當幅度衰減為原來的0.8倍時其個幅度累加和相應為原幅度累加和的0.8倍,其比值沒有任何變化,因此通過相除計算可以消除預處理電路中放大器中放大倍數變化的影響;當相位發(fā)生變化時通過與標準信號相位的計算;兩者相減同樣可以消除電路對相位漂移的影響。

從以上的仿真驗證可以看出對于一個含有3種頻率的被測信號,如果采用模擬相敏檢波器來進行檢測首先需要3個頻率的帶通濾波器,還需要3個檢波電路來實現(xiàn)相關檢測。實現(xiàn)電路復雜,可造成的測量誤差因素增加。采用數字相敏檢波,只需要把被測信號和參考信號進行模數轉換,再通過DSP與存入DSP中的標準信號進行相關運算,在相關運算時提取與被測信號和參考信號頻率相同標準信號進行計算,就能實現(xiàn)含有多種頻率分量的測量信號的相關檢測。

4 結 論

本文通過對模擬相敏檢波器的介紹以及其優(yōu)缺點的分析,提出了采用數字相敏檢波器代替模擬相敏檢波器的可行性。采用反相采樣累加法的相關檢測算法,先對參考信號、測量信號分別與引入的第三者標準信號相關計算,再對計算結果進行相除、相減分別計算幅度累加和比值和相位差的辦法,消除了硬件電路性能變化帶來的測量誤差。對于含有多種頻率分量的被測信號,只要分別使用不同頻率的標準信號的進行相關檢測就可以檢測出各種頻率的被測信號,因此采用數字相敏檢波器提高了儀器設計的靈活性,而且也減少小復雜電路對測量結果的影響。

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PI,2011,25(1):35～38

When designing the signal acquisition of the well logging tools,we must think over the measures called correlation detection,which is used to detect the feeble desired signals exposed in a hostile environment full of noises.Conventionally,the analog switches in the phase sensitive detection module is most often adopted to implement the correlation detection.However,the effect of the high temperature on the performance of the components and parts such as analog switch usually results in measure error.Therefore,it is suggested in this paper to adopt digital phase sensitive detection instead of analog one to carry out correlation detection in order to overcome the limitation of the conventional analog phase sensitive detection.The method introduced in the paper is suitable for acquiring the feeble signals with little effects of high temperature and getting more accurate measurement than conventional one.In addition,by using the MATLAB software,the paper presents an emulation result to verify the application of equivalent sampling method and the digital phase sensitive detection.

Key words:correlation detection,digital phase sensitive detection,equivalent acquisition

A study on the application of the digital phase sensitive detection in the well logging tools.

Li Ke,Lu Baoping and Zhang Jiatian.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0035-04

李 科,男,1976年生,工程師,2000年畢業(yè)于江漢石油學院電子儀器及測量技術專業(yè),西安石油大學儀器儀表專業(yè)在讀碩士研究生,現(xiàn)在中石油測井有限公司技術中心從事技術研發(fā)工作。郵編:710075

2010-08-06編輯:梁保江)