刘天时， 魏　雨， 赵　越， 邱　彬

(1.西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)



随钻脉冲曼码信号处理研究*

刘天时1， 魏雨1， 赵越1， 邱彬2

(1.西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)

摘要:随钻测量过程中，井下随钻测量信号通过钻井液脉冲方式传输到地面，地面采集到的信号往往包含了各种噪声和干扰，为了正确地恢复源信号，采用基于最小均方的自适应噪声对消算法。同时，利用改进锁相环方法来正确地恢复时钟，寻找准确的采样点。通过现场采集的钻井液脉冲信号进行验证，曼码信号处理能成功恢复码子，还原有效信息。

关键词:随钻测量； 曼码； 最小均方； 时钟恢复； 自适应噪声对消

0引言

目前，随钻测量在工程上主要采用钻井液脉冲编码调制技术进行无线传输通信，该技术运用时间长，发展成熟[1,2]。但是，由于钻井环境复杂恶劣，泥浆、压力和地质条件以及井深等条件的限制，随钻测量中井口采集到的钻井液脉冲信号往往包含各种噪声和干扰，同时信号易发生频偏，直接影响信号恢复结果的正确性。因而，正确可靠地恢复出原始信息，实时了解井下参数和控制井眼轨迹尤为重要[3]。本文针对井下随钻测量信号采用自适应信号处理技术，并进行时钟恢复处理，还原有效信息。

1随钻测量脉冲信号特点

随钻测量通过钻井液脉冲传递信息，钻井液脉冲信号实质是先将井下信息转换为电信号[4]，然后再通过泥浆泵转换为压力脉冲信号，以钻井液为介质将信号传输到地面[5]。地面检测到泥浆压力接收脉冲信号后再解码，从而获取随钻参数。

2随钻脉冲信号曼码处理

本文随钻脉冲信号采用曼彻斯特编码，简称曼码。首先对接收到的信号进行处理，去除噪声和干扰。处理系统主要采用基于最小均方的自适应噪声对消方法进行信号处理，然后对处理后的信号采用改进的时钟恢复机制，寻找采样时钟进行数据恢复，其流程如图1所示。

图1　曼码信号处理系统流程图Fig 1　Flow chart of Manchester code signal processing system

2.1自适应信号处理

信号处理方法主要包括低通、高通和带通滤波，在实际应用中均有一定的限制和弊端[6,7]。自适应是信号处理的一种方法[8,9]，可恢复出原始信息[9]，即具有“跟踪”“自学习”的能力[10]。

自适应干扰对消最小均方算法是通过不断地调节自适应滤波器参数，最终使得信号估计的均方误差最小[11]。然后从原信号中去除噪声干扰，恢复出原始信息。其具体原理如下：

根据曼码信号的特点，恢复原始信息[12～15]，其输入信号为

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

(1)

其中，d(n)为发送的源信号，n0为高斯白噪声信号。

对输入信号进行去直流得

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

(2)

(3)

误差信号为e(n)，即自适应处理的输出

(4)

化简为

(5)

将式(5)两边取平方，求期望得到

E[e2(n)]=

(6)

由于噪声干扰与发送信号是不相关的，上式可表示为

(7)

逐步调节滤波器参数，使E[e2(n)]最小化时，源信号能量E[d2(n)]是固定不变的，从而输出最小能量为

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2自适应噪声对消

自适应干扰对消原理如图2所示。其输入为接收到的泥浆压力脉冲信号[16]，参考控制输入端为相应的噪声,误差输出是去除噪声干扰的信号。

图2　自适应噪声对消流程Fig 2　Flow chart of adaptive noise canceling

2.3随钻脉冲接收信号处理与分析

对实际的随钻测量信号采用上述自适应干扰对消方法进行信号处理，如图3所示。其中,深色线条表示接收器采集到的信号，浅色线条表示处理后的信号。

图3　信号自适应滤波处理结果Fig 3　Result of signal after adaptive filtering

由图3可见，经过自适应干扰对消处理后的信号，在一定时间后达到稳定状态。截取达到稳定状态后的处理信号，如图4所示。

图4　稳定态信号Fig 4　Stable state signal

图4中深色为原始信号，浅色为处理后的信号，可以看出，从噪声中恢复出的曼码源信号得到保留，其他噪声干扰得到很好地抑制，从而达到了消除噪声干扰的目的。

3时钟恢复

3.1曼码时钟恢复存在的问题

信号在通信过程中由于受信道的影响，频率会发生偏移。为了稳定高效地恢复原始信息，时钟恢复显得尤为重要[17]。

3.2改进锁相环方法

在原始锁相环基础上，为了达到更高的灵敏度，提出以下锁相系统的设计方案，其流程见图5所示。

图5　曼码时钟恢复闭环系统流程Fig 5　Flow chart of Manchester code clock recovery closed-loop system

先对输入信号通过限幅放大器(LA)进行限幅处理，然后，依次通过数据集成调制器(SM)、数据积分器(DI)、误差积分器(EI)和误差集成调制器(EM)，由误差集成调制器产生调节信号，控制锁相环电路。根据锁相滤波器输出，控制压控振荡器(VCD)产生三个输出，其中，第一个输出信号用于控制采集数据积分装置，使数据积分装置完成一个完整的周期采样；第二个输出信号用于采集误差积分装置，使误差积分装置完成半个周期采样；第三个输出信号为时钟信号，控制两个D触发器，进行信号处理，其输出为不归零(NRZ)信号输出。数据积分与误差积分输出信号控制误差调制器输出，再调节电压控制振荡器(VCD)输出，从而构成时钟恢复闭环系统。数据积分(DI)和误差积分(EI)输出控制相位锁存(PLD)，由PLD信号输出。

曼码时钟恢复闭环系统各部分输出波形见图6所示。对自适应处理后的泥浆脉冲信号采用上述时钟恢复技术得到时钟信号，如图7所示。可以看出，此方法能正确地恢复系统时钟，有效控制抽样器译码。

图6　时钟恢复闭环系统的输出波形Fig 6　Output waveform of clock recovery closed-loop system

图7　处理后的信号及其时钟Fig 7　Signal after processing and its clock

4结论

本文对现场采集的泥浆压力脉冲信号采用自适应干扰对消技术，消除噪声干扰，恢复源信号，并运用改进锁相环方法进行时钟恢复，控制抽样。

1)对采集的泥浆压力脉冲信号运用自适应干扰对消方法进行信号处理，根据实际的时间和精度要求，选取适当的滤波器长度和调整因子，可以有效地去除钻井液脉冲信号噪声和干扰，其操作简单，处理结果稳定。

2)对自适应干扰对消处理后的信号进行时钟恢复，结果表明，改进锁相环方法能有效地恢复出系统时钟。

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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

*基金项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2012JM8037)； 西安石油大学优秀硕士学位论文培育资助项目(2014YP130612)

中图分类号:TN 911.7

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0029—04

作者简介:

刘天时(1960-)，男，陕西西安人，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为计算机应用技术、通信与信息系统。

魏雨，通讯作者，E—mail：happyweiyu@126.com。