劉天時(shí)， 魏　雨， 趙　越， 邱　彬

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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隨鉆脈沖曼碼信號(hào)處理研究*

劉天時(shí)1， 魏雨1， 趙越1， 邱彬2

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

摘要:隨鉆測(cè)量過程中，井下隨鉆測(cè)量信號(hào)通過鉆井液脈沖方式傳輸?shù)降孛妫孛娌杉降男盘?hào)往往包含了各種噪聲和干擾，為了正確地恢復(fù)源信號(hào)，采用基于最小均方的自適應(yīng)噪聲對(duì)消算法。同時(shí)，利用改進(jìn)鎖相環(huán)方法來正確地恢復(fù)時(shí)鐘，尋找準(zhǔn)確的采樣點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆井液脈沖信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，曼碼信號(hào)處理能成功恢復(fù)碼子，還原有效信息。

關(guān)鍵詞:隨鉆測(cè)量； 曼碼； 最小均方； 時(shí)鐘恢復(fù)； 自適應(yīng)噪聲對(duì)消

0引言

目前，隨鉆測(cè)量在工程上主要采用鉆井液脈沖編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無線傳輸通信，該技術(shù)運(yùn)用時(shí)間長，發(fā)展成熟[1,2]。但是，由于鉆井環(huán)境復(fù)雜惡劣，泥漿、壓力和地質(zhì)條件以及井深等條件的限制，隨鉆測(cè)量中井口采集到的鉆井液脈沖信號(hào)往往包含各種噪聲和干擾，同時(shí)信號(hào)易發(fā)生頻偏，直接影響信號(hào)恢復(fù)結(jié)果的正確性。因而，正確可靠地恢復(fù)出原始信息，實(shí)時(shí)了解井下參數(shù)和控制井眼軌跡尤為重要[3]。本文針對(duì)井下隨鉆測(cè)量信號(hào)采用自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)，并進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)處理，還原有效信息。

1隨鉆測(cè)量脈沖信號(hào)特點(diǎn)

隨鉆測(cè)量通過鉆井液脈沖傳遞信息，鉆井液脈沖信號(hào)實(shí)質(zhì)是先將井下信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[4]，然后再通過泥漿泵轉(zhuǎn)換為壓力脈沖信號(hào)，以鉆井液為介質(zhì)將信號(hào)傳輸?shù)降孛鎇5]。地面檢測(cè)到泥漿壓力接收脈沖信號(hào)后再解碼，從而獲取隨鉆參數(shù)。

2隨鉆脈沖信號(hào)曼碼處理

本文隨鉆脈沖信號(hào)采用曼徹斯特編碼，簡(jiǎn)稱曼碼。首先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，去除噪聲和干擾。處理系統(tǒng)主要采用基于最小均方的自適應(yīng)噪聲對(duì)消方法進(jìn)行信號(hào)處理，然后對(duì)處理后的信號(hào)采用改進(jìn)的時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制，尋找采樣時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，其流程如圖1所示。

圖1　曼碼信號(hào)處理系統(tǒng)流程圖Fig 1　Flow chart of Manchester code signal processing system

2.1自適應(yīng)信號(hào)處理

信號(hào)處理方法主要包括低通、高通和帶通濾波，在實(shí)際應(yīng)用中均有一定的限制和弊端[6,7]。自適應(yīng)是信號(hào)處理的一種方法[8,9]，可恢復(fù)出原始信息[9]，即具有“跟蹤”“自學(xué)習(xí)”的能力[10]。

自適應(yīng)干擾對(duì)消最小均方算法是通過不斷地調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器參數(shù)，最終使得信號(hào)估計(jì)的均方誤差最小[11]。然后從原信號(hào)中去除噪聲干擾，恢復(fù)出原始信息。其具體原理如下：

根據(jù)曼碼信號(hào)的特點(diǎn)，恢復(fù)原始信息[12～15]，其輸入信號(hào)為

y(n)=d(n)+n0.

(1)

其中，d(n)為發(fā)送的源信號(hào)，n0為高斯白噪聲信號(hào)。

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行去直流得

yAC(n)=y(n)-yDC.

(2)

(3)

誤差信號(hào)為e(n)，即自適應(yīng)處理的輸出

(4)

化簡(jiǎn)為

(5)

將式(5)兩邊取平方，求期望得到

E[e2(n)]=

(6)

由于噪聲干擾與發(fā)送信號(hào)是不相關(guān)的，上式可表示為

(7)

逐步調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，使E[e2(n)]最小化時(shí)，源信號(hào)能量E[d2(n)]是固定不變的，從而輸出最小能量為

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2自適應(yīng)噪聲對(duì)消

自適應(yīng)干擾對(duì)消原理如圖2所示。其輸入為接收到的泥漿壓力脈沖信號(hào)[16]，參考控制輸入端為相應(yīng)的噪聲,誤差輸出是去除噪聲干擾的信號(hào)。

圖2　自適應(yīng)噪聲對(duì)消流程Fig 2　Flow chart of adaptive noise canceling

2.3隨鉆脈沖接收信號(hào)處理與分析

對(duì)實(shí)際的隨鉆測(cè)量信號(hào)采用上述自適應(yīng)干擾對(duì)消方法進(jìn)行信號(hào)處理，如圖3所示。其中,深色線條表示接收器采集到的信號(hào)，淺色線條表示處理后的信號(hào)。

圖3　信號(hào)自適應(yīng)濾波處理結(jié)果Fig 3　Result of signal after adaptive filtering

由圖3可見，經(jīng)過自適應(yīng)干擾對(duì)消處理后的信號(hào)，在一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。截取達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的處理信號(hào)，如圖4所示。

圖4　穩(wěn)定態(tài)信號(hào)Fig 4　Stable state signal

圖4中深色為原始信號(hào)，淺色為處理后的信號(hào)，可以看出，從噪聲中恢復(fù)出的曼碼源信號(hào)得到保留，其他噪聲干擾得到很好地抑制，從而達(dá)到了消除噪聲干擾的目的。

3時(shí)鐘恢復(fù)

3.1曼碼時(shí)鐘恢復(fù)存在的問題

信號(hào)在通信過程中由于受信道的影響，頻率會(huì)發(fā)生偏移。為了穩(wěn)定高效地恢復(fù)原始信息，時(shí)鐘恢復(fù)顯得尤為重要[17]。

3.2改進(jìn)鎖相環(huán)方法

在原始鎖相環(huán)基礎(chǔ)上，為了達(dá)到更高的靈敏度，提出以下鎖相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其流程見圖5所示。

圖5　曼碼時(shí)鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)流程Fig 5　Flow chart of Manchester code clock recovery closed-loop system

先對(duì)輸入信號(hào)通過限幅放大器(LA)進(jìn)行限幅處理，然后，依次通過數(shù)據(jù)集成調(diào)制器(SM)、數(shù)據(jù)積分器(DI)、誤差積分器(EI)和誤差集成調(diào)制器(EM)，由誤差集成調(diào)制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)，控制鎖相環(huán)電路。根據(jù)鎖相濾波器輸出，控制壓控振蕩器(VCD)產(chǎn)生三個(gè)輸出，其中，第一個(gè)輸出信號(hào)用于控制采集數(shù)據(jù)積分裝置，使數(shù)據(jù)積分裝置完成一個(gè)完整的周期采樣；第二個(gè)輸出信號(hào)用于采集誤差積分裝置，使誤差積分裝置完成半個(gè)周期采樣；第三個(gè)輸出信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)，控制兩個(gè)D觸發(fā)器，進(jìn)行信號(hào)處理，其輸出為不歸零(NRZ)信號(hào)輸出。數(shù)據(jù)積分與誤差積分輸出信號(hào)控制誤差調(diào)制器輸出，再調(diào)節(jié)電壓控制振蕩器(VCD)輸出，從而構(gòu)成時(shí)鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)積分(DI)和誤差積分(EI)輸出控制相位鎖存(PLD)，由PLD信號(hào)輸出。

曼碼時(shí)鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)各部分輸出波形見圖6所示。對(duì)自適應(yīng)處理后的泥漿脈沖信號(hào)采用上述時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)得到時(shí)鐘信號(hào)，如圖7所示。可以看出，此方法能正確地恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，有效控制抽樣器譯碼。

圖6　時(shí)鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形Fig 6　Output waveform of clock recovery closed-loop system

圖7　處理后的信號(hào)及其時(shí)鐘Fig 7　Signal after processing and its clock

4結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的泥漿壓力脈沖信號(hào)采用自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)，消除噪聲干擾，恢復(fù)源信號(hào)，并運(yùn)用改進(jìn)鎖相環(huán)方法進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，控制抽樣。

1)對(duì)采集的泥漿壓力脈沖信號(hào)運(yùn)用自適應(yīng)干擾對(duì)消方法進(jìn)行信號(hào)處理，根據(jù)實(shí)際的時(shí)間和精度要求，選取適當(dāng)?shù)臑V波器長度和調(diào)整因子，可以有效地去除鉆井液脈沖信號(hào)噪聲和干擾，其操作簡(jiǎn)單，處理結(jié)果穩(wěn)定。

2)對(duì)自適應(yīng)干擾對(duì)消處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，結(jié)果表明，改進(jìn)鎖相環(huán)方法能有效地恢復(fù)出系統(tǒng)時(shí)鐘。

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Research of Manchester code signal processing in measurement while drilling*

LIU Tian-shi1, WEI Yu1, ZHAO Yue1, QIU Bin2

(1.School of Computer Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China;2.School of Electronic Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China)

Abstract:Drilling fluid telemetry system is particularly adapted for telemetry of information from the bottom of a borehole to the surface by mud pulse systems,but the signal often contains a variety of noise,in order to correctly recover the original signal,based on least mean-squares adaptive noise canceling algorithm is adopted.At the same time, applying an improved phase-locked loop method to correctly recover clock, and look for accurate sampling point.By drilling fluid pulse signal acquired on the field, it is verified that the Manchester code signals processing can recover the original code accurately and restore efficient information.

Key words:measurement while drilling; Manchester code; least mean-squares; clock recovery; adaptive noise canceling

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0029—04

收稿日期：2015—12—07

*基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012JM8037)； 西安石油大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文培育資助項(xiàng)目(2014YP130612)

中圖分類號(hào):TN 911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)02—0029—04

作者簡(jiǎn)介:

劉天時(shí)(1960-)，男，陜西西安人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)。

魏雨，通訊作者，E—mail：happyweiyu@126.com。