李 科鲁保平张家田

(1.西安石油大学电子工程学院 陕西西安) (2.中国石油测井有限公司技术中心 陕西西安)

数字相敏检波器在测井仪器中的应用研究

李 科1、2鲁保平2张家田1

(1.西安石油大学电子工程学院 陕西西安) (2.中国石油测井有限公司技术中心 陕西西安)

在测井仪器的信号采集设计中,需解决在恶劣工作环境中对微弱信号的精确测量的问题。常规的相关检测一般都采用模拟开关相敏检波来实现。然而硬件的相关检测方法,受到元器件温度性能的影响,表现为在高温情况下存在严重的测量误差。文章针对于目前测井仪器中的模拟相敏检波器的存在的稳定性低的缺点,提出了采用数字相敏检波器实现相关检测的的方法。该方法克服了温度变化所产生的影响,能够更精确的进行小信号的相关检测,最后使用MATLAB对文中的数字相敏检波算法进行了仿真验证。

相关检测;数字相敏检波器;等效采样

0 引 言

电阻率测井仪器一般是通过一个发射线圈或者电极向地层发射一个单一频率的正弦波或者多种频率正弦波叠加的电压或者电流信号,在与发射相隔一定距离处的接收线圈或者电极接收经过地层电阻衰减的电压或者电流信号,根据接收到的电压或者电流信号的变化来反映地层电阻率的变化,并依据电阻率来划分地层岩性、估算储层含氢饱和度,进而评价储集岩层的油气产能的一种测井方法。由于地质结构复杂,电阻率的变化范围非常大,因此接收到的电压或电流信号也同样具有很宽的变化范围。为了能精确地测量经过地层反馈回来的有用电信号,一般都采用相敏检波的相关检测方法来提取有用信号。模拟乘法器基本采用模拟开关来实现。由于测井仪器一般工作在的高温高压环境下,因此对元器件的温度性能要求很高,复杂的硬件电路对测量精度带来了严重的影响,且本文提出了用数字相敏检波器代替模拟相敏检波器应用研究。

1 模拟相敏检波的原理

目前的常规的电法测井仪器中对于检波器的设计仍采用模拟的方法来实现。可以分为两类:一种是参考信号和输入信号同为正弦波;一种是参考信号为方波,输入信号为正弦波。对于两组不同的信号检测,也采用两种不同的方案进行相关检测。

方案一:采用变压器和双极型三极管组成的正弦波检正弦波的相敏检波器,原理图如图1所示;方案

图1 正弦波相敏检波器原理

二:是把正弦波先进行波形变化转化为方波,再进行相关性运算,也就是参考信号为方波的相敏检波器,原理图如图2所示。

图3 方波相敏检波器原理

从图可以看出当输入信号和参考信号同相时,检波器将输出直流电压;当输入信号和参考信号正交时,输出的电压值为零。

模拟相敏检波器虽然可以有效地抑制噪声信号,但是工作在高温高压环境下的测井仪器,由于温度的变化使得各元器件的性能发生变化,从而引起的相位漂移和零漂都对测量结果带来不稳定的影响。

2 数字相敏检波的方法及实现

目前各种高性能的数字信号处理器的广泛应用,数字相敏检波器以其可靠性、灵活性已经在逐步取代传统的模拟相敏检波器。数字相敏检波器有两部分组成:以DSP为核心的硬件电路和软件算法。

2.1 数字相敏检波器的硬件实现

要对模拟信号进行数字运算,必须先采用A/D转换器把模拟的电压或者电流信号进行数字化转换。数字相敏检波器的核心部件是数字信号处理器(DSP),它主要用来完成数据的采集和相关运算。在进行A/D转换之前我们必须对要转换的被测信号和参考信号进行预处理[1～3],这样就需要前置放大和滤波器。所以具体的硬件电路实现如图3所示。

图3 硬件电路框图

但是在高温环境中由于元器件受温度变化的影响,对于两个通道的预处理电路,不能保证它们随温度的变化在性能上也发生相同的变化,因此在测井仪器中我们对图3中的硬件电路进行了改进的硬件电路如图4所示。

比较图4与图3可以看出两种电路的不同之处是:改进后的电路增加了一个模拟选择开关,而把两个预处理电路通道变成了一个。采用改进的方案当元器件性能随温度变化时,硬件电路不仅对被测信号有影响,同时也影响参考信号,并且对两者的影响是相同的。去掉这种影响的简单办法只要在DSP中把被测信号与参考信号进行相除运算就可以相抵消。

图4 改进的硬件电路

采用了一个信号预处理通道后可以解决温度变化所带来的环境影响,但是同时也带来了另一个问题:采样时间上必然不能像双通道那样两者同时采样,也就是如何在分时采样中保证信号的时不变性,由于参考信号作为一个的被测信号,它是一个时不变信号,对参考信号的采样不受时间的影响,所以只要把被测信号和参考信号在采样时的起始点对齐就可以解决分时采样带来的影响。

2.2 数字相敏检波的算法

假设被测信号为:

参考信号为:

式中,A、B为信号幅度,θ0、θ′0为相角。

由于环境温度因素的影响硬件电路性能的变化A、B、θ0、θ′0都将发生变化。对于相角的变化量,由于结果只注重相位差所以对于相位的测量结果不会带来任何影响,但是对于幅度变化对测量结果的影响并没有消除。因此为了克服幅度变化带了的计算影响引入一个标准的信号:

分别在M个周期对被测信号和参考信号s(t)、r(t)进行M×N次等效采样[2],采样间隔为ts=1/fs=1/(N·f0)。采用反相采样分段累加相关法[3]分别可以得到:

l=0,1,2,3……M-1。

同样对基准信号进行同相采样和正交采样可得:

l=0,1,2,3……M-1。

以上各式中N=f0/fs,也就是每周期的采样点数。

分别计算被测信号x(l)和参考信号r(l)与基准信号的相关性:

式(3)中Rx、Xx分别为被测信号与基准信号的同相分量和正交分量的累加和;同样式(4)中Rr、Xr分别为参考信号与基准信号同相分量和正交分量的累加和。

从而可以求出被测信号M个周期的幅度和及与基准信号的相位:

参考信号M个周期的幅度和及与基准信号的相位:

根据以上对图5硬件电路的分析。可以得出:

K为被测信号与参考信号的幅度和的比值;Δ φ为被测信号与参考信号的相位差。

从式(7)可以看出,当预处理电路随温度变化出现的幅度变化和相位漂移都可以通过最终的计算消除。

3 MATLAB下的仿真验证

运用以上相敏检波的算法在MATLAB中进行仿真[4、5]。

设被测信号为:

参考信号为:

基准信号为:

对以上的复频被测信号和参考信号在4个周期内进行39点采样如图5、图6所示。

图5 测井信号4周期39点等效采样序列

图6 参考信号信号4周期39点等效采样序列

为了检测出不同频率的被测信号,要对标准信号分别在3种频率下进行采样:当ω=ω0时对基准信号在4个周期内进行39点采样如图7所示;当ω=2ω0时对基准信号在8个周期内进行39点采样如图8所示;当ω=4ω0时对基准信号在16个周期内进行39点采样即如图9所示。

图7 ω=ω0正交与同相采样信号序列

图8 ω=2ω0正交与同相采样信号序列

图9 ω=4ω0正交与同相采样信号序列

在MATLAB下进行仿真可得见表1。

表1 在MATLAB下进行仿真

假设预处理电路中幅度衰减为当前的0.8倍,相位漂移5°,经过仿真计算可得见表2。

从表1和表2中的计算结果比较可以看出:当幅度衰减为原来的0.8倍时其个幅度累加和相应为原幅度累加和的0.8倍,其比值没有任何变化,因此通过相除计算可以消除预处理电路中放大器中放大倍数变化的影响;当相位发生变化时通过与标准信号相位的计算;两者相减同样可以消除电路对相位漂移的影响。

从以上的仿真验证可以看出对于一个含有3种频率的被测信号,如果采用模拟相敏检波器来进行检测首先需要3个频率的带通滤波器,还需要3个检波电路来实现相关检测。实现电路复杂,可造成的测量误差因素增加。采用数字相敏检波,只需要把被测信号和参考信号进行模数转换,再通过DSP与存入DSP中的标准信号进行相关运算,在相关运算时提取与被测信号和参考信号频率相同标准信号进行计算,就能实现含有多种频率分量的测量信号的相关检测。

4 结 论

本文通过对模拟相敏检波器的介绍以及其优缺点的分析,提出了采用数字相敏检波器代替模拟相敏检波器的可行性。采用反相采样累加法的相关检测算法,先对参考信号、测量信号分别与引入的第三者标准信号相关计算,再对计算结果进行相除、相减分别计算幅度累加和比值和相位差的办法,消除了硬件电路性能变化带来的测量误差。对于含有多种频率分量的被测信号,只要分别使用不同频率的标准信号的进行相关检测就可以检测出各种频率的被测信号,因此采用数字相敏检波器提高了仪器设计的灵活性,而且也减少小复杂电路对测量结果的影响。

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[5] 施晓红,周 佳.精通GUI图形界面编程[M].北京:北京大学出版社,2003

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,工程师,2000年毕业于江汉石油学院电子仪器及测量技术专业,西安石油大学仪器仪表专业在读硕士研究生,现在中石油测井有限公司技术中心从事技术研发工作。邮编:710075

2010-08-06编辑:梁保江)