测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
苏日建， 孔力， 石军 苏日建(华中科技大学控制系;郑州轻工业学院)， 孔力,石军(华中科技大学控制系)
石油机械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 2009,37(11) 2次
参考文献(4条) 1.Momo F.Ranieri G A.Sotgiu A Microcomputer based phase sensitive detector 1981(11) 2.Saniie J.Luukkala M Digital phase detection based on in-phase and quadrature sampling 1983(07) 3.Barone F.Calloni E.Difiore L High-performance modular digital lock-in amplifier 1995(06)
笔者通过对目前现有的反向采样法【ｌ Ｊ、正交 采样法【２】、四等分累加法【３１等数字相敏检波进行 深入研究，提出了一种基于数字信号处理的数字相 敏检波算法，并在所研制的井周，微电阻率成像测 井仪通过ＤＳＰ使用软件来实现Ｈ Ｊ，不仅简化了电 路的设计，而且提高了在低信噪比情况下提取有用
信号的精度。
１ 模拟相敏检波的原理
虿１印ｒｃｏｓ【２：玎∽一，）ｔ＋妒】＋
矿１＾ｃ。ｓ ２竹眠＋，）ｔ＋妒】
（３）
中断间隙完成上式所示的乘累加。在采集间隙充分 利用ＤＳＰ的资源进行计算，做到边采集边处理，充 分利用时间换取精度的原则，提高数字相敏检波的 计算精度。乘累加完成后，需要根据式（８）计算 信号幅值，算法流程见图２。
２．数字相敏检波算法
第一作者简介：王耀华，工程师，生于１９７４年，１９９９ 年毕业于陕西工学院机械设计制造专业，现攻读硕士学位， 主要从事石油钻机的设计研究工作。地址ｉ（７２１００２）陕西省 宝鸡市。电话：（０９１７）３４６２１９３。
井下核磁共振测井仪微弱信号处理算法设计
井下核磁共振测井仪微弱信号处理算法设计【摘要】本文针对核磁共振测井中采集到的核磁回波信号十分微弱的特点，提出两种微弱信号的提取处理算法：DPSD数字相敏检波算法与小波提取算法。
详细分析了两种算法的特点，并对两种算法的微弱信号提取效果进行了分析。
目前该两种微弱信号的提取算法已经成功应用于核磁共振仪器的微弱信号提取上，并在实际测井过程中取得了很好的应用效果。
【关键词】核磁共振；微弱信号；CPMG序列；DPSD相敏检波；小波变换0 引言核磁共振测井方法可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响，因此目前颇受测井行业的广泛应用[1]。
与此同时，通过核磁共振测井采集到的地层回波信号相当微弱，其幅度值大概在40nV～2uV之间，几乎不可能通过常规测试手段直接检测到相应信号。
本文重点介绍了两种微弱信号的提取算法，通过这两种算法可以有效地从采集到的微弱回波信号中快速提取相关信号幅度与相位信息，因此目前普遍应用于核磁共振微弱信号的提取处理上。
1 微弱信号处理算法分析1.1 相敏检波算法（DPSD）分析目前，对于纳伏级（nV）微弱信号电压的测量仪器主要有锁定放大器和取样积分器两类。
前者是物质表面组份分析和表面电子能态研究的重要手段；后者使得核磁共振技术得以真正实现。
这两类微弱信号检测仪器可测量到淹没在强噪声中的μV～nV量级的电压信号[2]。
不过由于测量系统以及各种外界干扰引入的各种噪声使得噪声强度高出有用信号几十倍，一些常规的电压测量方法无法测量淹没在强噪声中的电压信号。
对于这些信噪比低至-30～-60db范围的混于噪声中的微弱信号的测量均采用基于最大似然估计的互相关方法[3]。
下面重点对互相关法的一种DPSD相敏检波算法进行详细介绍。
1.2 小波提取算法设计小波变换在当前微弱信号处理中应用越来越多，它是时间（空间）频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破[3]。
精密阻抗分析仪中数字相敏检波技术研究与实现
。Ｎａ ｊｎ ｈ ｎ ｓ ｅ ｇ Ｉ ｓ ｕ ｎ ｏ ， ｔ ． Ｎａ ｊ ｇ ２ １ ０ ， ｈｎ ） （ ｎｉｇ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ ｎｔ ｍｅ ｔ ． Ｌ ｄ ， ｎｉ １ １ ０ Ｃ ｉ ｒ Ｃ ｎ ａ
摘要
研究 了 ２ ～Ｉ Ｏ ＭＨｚ范围内数 字阻抗分析仪中相敏检波 器的设计 原理 ， 并详 细介绍了基于该原理 的信号采集原理 、 关键
参 数 的 计 算 、 能 电路 的设 计 ， 以 Ｄ Ｐ为 核 心 的 相 敏 检 波 器 实 时 算 法 。 实 践 表 明 ， 新 型 相 敏 检 波 器 的研 制 成 功 使 得 阻 抗 功 及 Ｓ 该
用 户 最 多 ， 相 关 行 业 有 着 非 常 广 泛 的应 用 。 在
现 代 中 低 频 阻 抗 分 析 仪 普 遍 采 用 矢 量 法 原 理 ，
激 励 信 号 ； 激励 信 号施 将
Ｊ ｎ ２ ０ ｕ ．０６
精 密 阻抗分 析仪 中数 字 相敏 检 波 技 术 研 究 与 实现
王 晓俊 周 杏 鹏 王 毅
（ 京 东 南 大 学 自动 控 制 系 南 京 ２ ０９ ） 南 １ ０ ６ 。南 京 长 盛 仪 器 有 限公 司 南京 ２ １０ ） （ １ １ ０
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第 ２ ７卷
第 ６期
仪 器 仪 表 学 报
Ｃ ｉｅ ｅＪ ｕ ｎ １ ｆＳ ｉｎ ｉｃ Ｉｓ ｒ ｍｅ ｔ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｏ ｃｅ ｔ ｉ ｎ ｔｕ ｎ ｆ
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ６ １２ ．
微电成像测井仪中数字相敏检波开方算法的改进及DSP实现
微电成像测井仪中数字相敏检波开方算法的改进及DSP实现徐方友;肖宏;曹启刚;马雪青
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2011(000)004
【摘要】研究了微电阻率成像测井仪中数字相敏检波开方算法的改进及其DSP实现.介绍了数字相敏检波的基本原理,给出了线性逼近开方算法的优缺点,针对线性逼近算法精度不高的缺点提出一种线性逼近和牛顿拉夫逊相结合的新算法,并给出新算法与线性逼近算法的相对误差图,展现了新算法在计算精度上的优越性,然后给出新算法DSP实现的程序流程图和实验结果.得出新开方算法不仅能够满足测井实时计算的要求,而且还能提高信号检测的线性度的结论.
【总页数】3页(P17-19)
【作者】徐方友;肖宏;曹启刚;马雪青
【作者单位】中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】TM933.3
【相关文献】
1.MCI微电阻率成像测井仪数字相敏检波的改进 [J], 徐方友;肖宏;马雪青;曹启刚;李向峰
2.MCI微电阻率成像测井仪数字相敏检波的改进 [J], 徐方友;肖宏;马雪青;曹启刚;李向峰
3.一种微电阻率成像测井仪数字相敏检波新算法 [J], 王宁宁;师奕兵;尹磊;李焱骏
4.数字相敏检波技术在微电成像测井仪中的应用 [J], 孔力;石军;徐方友;刘家玮
5.侧向仪器中数字相敏检波算法的改进与实现 [J], 张森峰;高秀晓;陈文;戴光明;姚德忠;张年英
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侧向仪器中数字相敏检波算法的改进与实现
设计应用esign & ApplicationD侧向仪器中数字相敏检波算法的改进与实现Improvement and realization of digital phase-sensitive detection algorithm in lateral instrument张森峰，高秀晓，陈 文，戴光明，姚德忠，张年英 (中国石油测井技术研究院，北京 102206)摘 要：提出了一种基于数字低通滤波的对现有传统数字相敏检波算法的改进方法，并对其进行了仿真与实现。
介绍了传统数字相敏检波的基本原理，给出了相关的计算方法。
阐述其精度不足的缺点，然后给出基于数字低通滤波的改进方案。
使用MATLAB对改进前后两种方案进行仿真与比较，以明确它们在精度上的差异，展现改进算法的优越性。
最终使用C语言对算法进行实现，以方便其移植到DSP上进行实际的工程应用。
基于低通滤波的数字相敏检波算法虽然会较大程度上增加计算量，但是却可以得到更高的精度。
关键词：数字相敏检波；数字低通滤波0 引言在侧向测井中，侧向仪器通过发射电极向地层发射不同频率的正弦信号，通过其变化情况来反映地层电阻率。
但是接收到的信号是多种频率的混合信号，而且还会夹杂着各种噪声。
因此，如何精准地从其中提取出某一特定频率的正弦信号，进而计算它的幅值与相位变化，就成为了真实客观地反映地层电阻率情况的决定性因素。
相敏检波技术被用来解决上述问题，但是不同的实现方案使得最终的实际效果与精度亦有不同。
早期采用模拟电路来实现相敏检波，但因为三极管的压降导致精度不高[1]。
随着数字信号处理理论与技术的发展，基于DSP 的数字相敏检波得到了广泛应用，使精度得到了极大的提升。
这里对当前数字相敏检波进行改进，以得到更高的精度。
1 数字相敏检波原理数字相敏检波的功能示意如图1。
图１ 数字相敏检波的功能示意图假设测量信号d(t)为（1）此式中，D 为被测信号幅度；ω为被测信号和参考信号的频率；φ为被测信号与参考信号之间的相位差。
数字相敏检波
数字相敏检波技术不仅可检测信号幅值，而且能同时检测信号相位。
而且其检测精度高，即使对信噪比降低的场合，也可得到较高的检测精度。
此外，数字相敏检波技术对被测信号的频率具有很好的适应性，可以实现跟踪检波，只要改变参考信号的频率即可。
（数字相敏检波技术及其应用_路长厚）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。
数字相敏检波原理：设被测信号与参考信号分别为()()0cos s t V t Noise ωθ=++()()()00cos sin r t t j t ωω=+式中，V 为信号幅值；θ为信号初相位；Noise 为噪声。
由于噪声信号与参考信号不相关，被测信号与参考信号的互相关函数求得()()()sr 0=cos sin 22V V R j θθ- 正交分量为 ()()m sr 0=sin 2V b I R θ=-⎡⎤⎣⎦ 对信号经行M ×N 次采样，M 为采样周期数，N 为单周期采样次数，由采样间隔()s 00=/2/t T N N πω=得采样序列为()()cos 2/s n V n N πθ=+参考信号序列()()()()()a b cos 2/sin 2/r n n N j n N r n r n ππ=+=+式中，n=0,1, …MN-1，则()()1a 01MN t a s n r n MN-==⨯∑ ()()1b 01MN t b s n r n MN-==⨯∑进而求出信号幅值和初相位分别为V ()=/arctg b a θ-（数字相敏检波在DSP中的实现_石军）。
感应测井及数据处理的理论和仿真
带和围岩影响时的视电导率Ｏ＂ａ可表示为：
Ｏ＂ａ＝吒％＋ｇ吒＋Ｇｉ盯ｆ＋ｑＯ＂ｔ
（１．４）
其中，盯，、眼、盯。、和盯；分别是地层、围岩、泥浆和侵入带的电导率；
Ｇ，、Ｇ、瓯和Ｇ，分别是地层、围岩、泥浆和侵入带的几何因子。当泥
浆、围岩和侵入带的影响可以忽略不记时，吒可以近似等于地层电导率 盯。。此时％的大小，能反应出地层电导率的变化，这就是感应测井的基
集层中储集物的电阻率的高低是判断储集层含油、气的重要标志。
鉴于电阻率测井的重要性，人们设想了多种测量电阻率的方法，如电
极系测井、双侧向测井、微型聚焦测井等。这些测井方法都在一定程度上
实现了电阻率测并任务。但当井中泥浆不导电时（如油基泥浆），这些测
井方法不再有效。为此，人们开发了感应测井方法。
起初，感应测井仅用于油基泥浆和干井，并取得了良好的测量效果。
ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｏｍｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ ｎｏｖｅｌ
基于Nios Ⅱ系统的数字相敏检波系统设计
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测 井
与 射
孔
２０ ０ ７正
表 示 为 （） ｄ （） ｄ （） 相 敏检 波 的 目的就 一 ＋ 。
产生 Ａｖ ｌｎ结构 总线 逻辑 ， ａｏ 可使 嵌入式 系统在 硬
件 结构 、 功能 特点 、 资源 占有 等方 面全面 满足用 户 的设计 要求 。
作 者 简 介 ： 瑞 荣 ， ， ，９ ７年生 ， 贯 山 西 。博 士 、 授 、 士生 导师 ， 安 石 油 大 学 校 级 学 术 带 头 人 ， ９ １年 毕 业 于 南 京 理 工 大 学 ， 党 男 汉 １５ 籍 教 博 西 １９ 获博 士 学 位 ， 主 要 从 事数 字 信 号 处 理 及 测 井技 术 领 域 的教 学 与 科 研 工 作 。 现
３ ２ 硬件结 构 ． ．
是 要求 出实部 信号 和 虚部 信 号 。 经过 理 论 推 导 可 求 得模 拟域 的实部信 号 Ｄ 和虚部 信号 Ｄｘ ：
９ ｒ了 ＇
Ｄ Ｉ （ ｃｓ ｄ Ｒ一 ｏｏ ｔ ） Ａ
假 设 测量信 号 ｄ ｔ为 ： （）
（ ）一 Ｄｃ ｓ ￣ 一 ）一 Ｄｃ ｓ ｃ ｓ ＋ Ｄ ｓｎ ｉ ￡ ｏ（ ｏ ｇ ｏａ ｃ ｉ ｓｎ
由 于受地 层 的 电导 率 的影 响 ， 电磁 波 在 地层 中传播 时有很 大 的 幅度 衰 减 和相 位 移 动 ， 因而 感 应测井 接 收到 的信号 是具有 实部 （ Ｒ分量 ） 虚部 和 （ Ｘ分 量） 信 号 。 虚部 分 量 中的 很 强 的 成 分 是 的 “ 接耦合 ” 号 ， 部 和虚 部 分 量 中均 有 反 映地 直 信 实
采用 的都是模 拟 相敏检 波 。该检波 电路需 要 参考
所谓 相敏 检波 ， 是 通 过 监 测 所得 信 号 的 相 就
基于DSP的数字相敏检波器的实现
1 [ cos ( 2 2 ) - sin
0t +
) + cos
] d t - jA
0
1 2 [ sin ( 2
0t
+
] dt
T T A cos + j A sin ( 2) 2 2 相敏检波的目的就是测量出待测信号的实部和虚 =
图 1 相敏检 波原理框图
部 [ 2] , 由将信号 u ( t ) 进行积化和差 运算后, 与式 ( 2 ) 对比可 以看出 式中的 A cos 即为 待测信 号的实 部 ,
用 AD 转换 器将模拟信号 离散化转化 为数字信 号之 后 , 再用求和近似代替积分 , 这样就可以获得数字相 敏检波原理框图如图 2 所示。
图 2 数字相敏 检波原理框图
[ 2]
2
数字相敏检波器的设计与实现
2. 1 硬件设计与实现 数字相敏检波器的框图如图 3 所示。其主要由调 理电路、 AD 转换电路、 DSP 处理 单元三个模块组 成。 接收到的信号经调理电路调理成适合 AD 转换的信号 后 , 送至 AD 转换电路 进行数模 转换, 转换结果 交由 DSP 进行相敏检波运算。
0
引
言
测信号 s ( t ) 与参考信号 r ( t ) 延时 为零时的相关运 算。其中, 参考信号 r ( t ) 与有用信号 u( t ) 频率相同。 由上述原理可得相敏检波器输出为:
T
现代测井技术常常涉及到微弱信号检测, 实际的 测井仪器进行测井时 , 固定频率的正弦有用信号常常 被淹没到噪声当中。由于相敏检波器具有鉴别调制信 号相位和选频能力的特点 , 因此 , 为了从测量信号中获 取固定频率的有用信号 , 从而获得准确的地层视电阻 率信息 , 相敏检波技术得到了广泛应用, 成为各种测井 仪器中最常使用的测井数据处理技术之一 [ 1] 。传统的 模拟相敏检波是利用双发射极晶体管的开关特性来实 现相敏检波的功能的 [ 2] , 其具有原理简单、 易于实现的 特点, 但三极管的管压降与被检测的微弱信号相比 , 已 经是不可忽略的因素 , 导致无用信号和有用信号的分 离不够彻底 , 同时其将视电导率实部直接当成视电导 率 , 而将视电导率虚部当作无用信号抑制掉, 从而使测 量结果不够精确。故本文设计 实现了一种基 于 DSP 的数字相敏检波器。
精密电感测微仪中的数字相敏检波技术
（ ｈｎ ｓａＡ ｒｎ ｕ ｃｌ ｏ ａｏ ａ ａ ｄＴ ｃｎｃｌ ｏ ｅｅ Ｃ ａ ｇｈ １ １４， Ｈ Ｃ ａｇｈ ｅｏａ ｔ ａ Ｖ ｃｔ ｎ ｌ ｎ ｅｈ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ， ｈ ｎ ｓａ４ ０ ２ Ｃ Ｎ） ｉ ｉ ｌ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｄ ｇｔｌｐ ａ ｅ—ｓ ｎ ｉ ｖ ｅｅ ｔ ｎ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓ ａ ｐ ｉｄ ｉ ｈ ｎ ｕ ｔｎ ｅ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｅ ａｔ ｌ ａ — ｓｒ ｃ ： ｈ ｉｉ ｈ ｓ ａ ｅ ｓ ｉｅ ｄ ｔ ｃｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｐ ｌ ｎ ｔ ｅ Ｉ ｄ ｃａ ｃ ｅ ｓ ｒ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｃ ｔ ｏ ｅ ｉ
ｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｈ ｎ ｕ ｔｎｃ ｎ ｏ ａ ｅ ｎ ｅ ｈ ｎ ｅ ｓｎ ｈ ｅ ｈｎｑ ｒ ｃｓｏ ｆｔ ｅ Ｉ ｄ ｃａ ｅ Ｓｅ ｓ ｒｈ ｓｂ ｅ ｎ ａ ｃ ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｔｃ ｉｕｅ，ａ ｄ ｃ ｎ ｂ ｐ ｌｅ ｏ ｐ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ａ ｐ ｉ ｄ ｔ ｒ ｃ— ｓｏ ｎ ｌｒ ｒｃ ｓｏ ａ ｕ ｅ ｎｔ ｉｎ ａ ｄ ｕ ｔａ ｐ ｅ ｉｉｎ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ． Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ：Ｄｉ ｉ ｌＰｈ ｓ ｇｔ ａ ｅ—ｓ ｎ ｉｉｅ Ｄｅ ｅ ｔｏ Ｉ ｕ ｔ ｎ ｅ Ｓ ｎ ｏ ； ａ ｕ ｅ ｎ ｅ ｉｉｎ ａ ｅ ｓｔｖ ｔｃｉｎ；ｎｄ ｃａ ｃ ｅ ｓ ｒ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔＰｒ ｃｓｏ
微处理器对被测信号在每个周期 的最大值 、 最小值分 别 采样 （ 一峰采样 ）两次信 号 相位 相差 为 １０ 。采 峰 ， ８。
样 ｜个 周期 ， 后进行 反相作 差 累加运算 。 ７ ｖ 然
根 据反 相采样 的原 理 ， 出 了 如 图 ２所 示 的实 现 提
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1 π ( fs + fr ) t +θ es er co s 2 2 1 π ( fn - fr ) t +φ en er co s 2 2 1 π ( fn + fr ) t +φ en er co s 2 2
2 数字相敏检波算法
在模拟相敏检波中 , 乘法和检波都是通过电路 来实现的 , 不仅降低了仪器的精度和分辨率 , 而且 电路本身也会引入一定的噪声 。本设计中数字相敏 检波利用 DSP 采用软件的方式实现对待测信号的 幅值计算 , 既简化了电路设计 , 又减少了噪声引 入 。数字相敏检波的基本原理是对待测信号进行若 干周期采样 , 并将采样值与存储于数组中相应参考 值进行乘累加并取平均 , 求出其同相分量与正交分 量 , 然后计算出其幅值与相位 。其数学描述如下 : 2 nfsπ 2 nfnπ x ( n ) = es co s +θ + en co s +φ
[2] 廖谟圣 1 海洋油气工业的发展与新一代的移动式钻
采平台 [ J ] 1中国海洋平台 , 2002, 17 ( 1 ) : 1 - 31
[3] 朱 江 1 海洋钻井设备综述 [ J ] 1 中国海上油气 (工程 ) , 2000, 12 (6) : 44 - 461
此套海洋 3 000 m 多功能钻修机用于我国第 1 艘海洋油气多功能作业船 , 能为多个海洋钻井作业 平台提供优质高效服务 。 随着海洋油气资源开发力度的进一步加大 , 对 海洋修井及其他作业的需求会越来越多 , 对具有快 [3] 速拆卸 、安装的钻修井设备需求会更加旺 盛 。 L IFTBOAT钻修机在我国石油钻采装备研发史上是 一项具有里程碑意义的新产品 , 它的成功研发为我 国海洋石油开发提供了有力支持 。
测量的试验数据可以得出 , 使用数字相敏检波可以 更加有效地抑制噪声 , 改善信噪比 , 使测量数据更 准确 。与传统的模拟相敏检波相比 , 运用数字相敏 检波技术对湮没在强烈背景噪声下的微弱信号进行 提取 , 主要有如下优点 : ① 软件取代了硬件 , 简化 了电路设计 , 降低了仪器成本 ; ②充分利用 DSP 资源 , 可以方便而灵活地实现算法的优化 ; ③ 由于 是软件实现的相敏检波 , 所以更易于维护 。
θ = a rc tan
1
K ei = 2
K- 1
1
K
K- 1
n =0
∑E
s
( n) Sr ( n)
÷
( 7)
2
n =0
∑E
1
K
s
( n ) Cr ( n )
K- 1
n =0
∑
Es ( n ) C r ( n )
2
1 2
+
图 3 慢扫模式下采集试验数据的拟合曲线
1
K
K- 1
n =0
∑
Es ( n ) S r ( n )
M M ( 4) C r ( n ) = co s 2 nfrπ /M S r ( n ) = sin 2 nfrπ /M ( 5) ( 6)
图 2 数字相敏检波算法流程
3 试验测试
根据上述的数学模型 , 设计出相应的算法 , 为 验证算法的正确性 , 首先在地面利用信号发生器 , Ω 衰减电阻 ) 对极板电扣施加 10 通过模拟盒 ( 1 M kHz的正弦信号 , 然后通过数据采集系统采集数据 后上传到地面系统 。图 3 为慢扫模式下采集试验数 据的拟合曲线 。
第一作者简介 : 王耀华 , 工程师 , 生于 1974 年 , 1999 年毕业于陕西工学院机械设计制造专业 , 现攻读硕士学位 , 主要从事石油钻机的设计研究工作 。地址 : (721002)陕西省 宝鸡市 。电话 : ( 0917 ) 3462193。 收稿日期 : 2009 - 08 - 04
0 引 言 1 模拟相敏检波的原理
现代测井技术中需要检测的都是一些反映地质 构造的非常微弱的电信号或磁信号 。这些信号相对 于地球物理环境这样一个复杂的电磁环境是极微弱 的 , 因此 , 把所需有用信号从中提取出来是数据采 集的关键 。对于微弱信号的检测通常的方法是 : ① 降低噪声提高信噪比 , 即降低传感器及放大电路的 噪声 ; ② 采用合适的微弱信号检测技术和方法提取 出有用信号 。但鉴于材料和制造工艺的限制 , 仪器 中器件的固有噪声降低是有一定限度的 , 因此研究 微弱信号检测技术是检测微弱小信号更重要的途 径 。目前 , 基于相关原理的相敏检波方法是检测技 术中 , 特别是地质测量 、通信仪器等使用最为有效 的方法 , 在测井仪器中使用的方法基本上都是基于 模拟相敏检波技术的锁相放大器 ( Lock 2in Amp li2 fier L I A)。 笔者通过对目前现有的反向采样法 、正交 [2] [3] 采样法 、四等分累加法 等数字相敏检波进行 深入研究 , 提出了一种基于数字信号处理的数字相 敏检波算法 , 并在所研制的井周 , 微电阻率成像测 [4] 井仪通过 DSP 使用软件来实现 , 不仅简化了电 路的设计 , 而且提高了在低信噪比情况下提取有用
3 基金项目 : 国家 863 高新技术研究发展计划项目 “ 先进测井技术与装备 ” (2006AA060101) ; 湖北省自然科学基金项目 (2006ABA072) 。
2009 年 第 37 卷 第 11 期
苏日建等 : 测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
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mo =
1 π ( fs - fr ) t +θ es er co s 2 2
+ +
+
中断间隙完成上式所示的乘累加 。在采集间隙充分 利用 DSP的资源进行计算 , 做到边采集边处理 , 充 分利用时间换取精度的原则 , 提高数字相敏检波的 计算精度 。乘累加完成后 , 需要根据式 ( 8 ) 计算 信号幅值 , 算法流程见图 2。
由图 3 可以看出 , 所拟合的曲线 R = 01999, 说明 9919%的数据是符合拟合曲线的 。图 4 为试 验数据分布的残差图 。 由残差图可以直观地看出 ,
2
图 4 试验数据分布的残差图
— 62 —
石 油 机 械
2009 年 第 37 卷 第 11 期
[1]
模拟相敏检波的基本思想是利用参考信号与检 测信号进行相关操作 , 从而达到移频 、窄带滤波 、 信号检出等目的 。它的实质即为乘法器 , 模拟相敏 检波电路的基本工作原理可以理解为整流 、低通滤 波 , 工作原理如图 1 所示 。
图 1 模拟相敏检波的工作原理
其 中 , X ( t ) 为 被 测 信 号 , 由 有 用 信 号 xs ( t) 和噪声信号 n ( t) 构成 ; R ( t) 为参考信号 。 相敏检波正是利用这一技术实现这个功能的 , 对于 正弦信号 ,可以建立式 ( 1 ) ～ 式 ( 3 ) 的模型 , 它们分 别代表待测信号 、参考信号及乘积函数 。在设计中 选择参考信号与待测信号同频 , 再通过低通滤波 器 , 就可以将式 ( 3 ) 中的第 1 项直流信号测出 , 达到信号检测的目的 。 πfs t +θ ) + x ( t) = es co s ( 2 πfn t +φ) ( 1) en co s ( 2 πfr t) ( 2) r ( t) = er co s ( 2
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石 油 机 械
CH I NA PETROLEUM MACH I N ERY
2009 年 第 37 卷 第 11 期
检测诊断
测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
苏日建
1, 2
3
孔 力 石 军
1
1
( 11 华中科技大学控制系 21 郑州轻工业学院 )
参 考 文 献
[ 1 ] Momo F, Ranieri G A , Sotgiu A , et al1M icrocomputer based phase sensitive detector [ J ] 1J 1 Phys1 E: Sci1 Instrum , 1981, 14 ( 11 ) : 1253 - 12561 [ 2 ] Saniie J, Luukkala M 1D igital phase detection based on in - phase and quadrature samp ling [ J ] 1J Phys1 E: Sci1 Instrum , 1983, 16 (7) : 606 - 6071 [ 3 ] Barone F, Calloni E, D ifiore L , et al1H igh 2 perform 2 ance modular digital lock2in amp lifier [J ] 1 Rev1 Sci1 Instrum , 1995, 66 (6) : 3697 - 37021 [4] 苏日建 , 孔 力 , 刘文中 , 等 1 微电阻率扫描成像
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其中 , x ( n ) 为含有噪声的待测信号采样值 ; C r ( n ) 为对应的参考信号余弦分量 ; S r ( n ) 为 对应的参考信号正弦分量 , fr = fs ; M 为每周期采 样次数 , 是 2 的幂函数 , K为采样次数 , 一般为 M 的整数倍 。由上面的描述可知 , 数字相敏检波最主 要的操作就是乘累加和开方 , 而 DSP 最大的优势则 在于其单指令的乘累加操作。因此 , 系统使用辅助 脉宽调制模块产生模数转换模块 AD7671 的转换触 发信号 , 转换完成后 AD7671 产生中断信号 , DSP 在中断处理中通过数据总线读取转换结果 , 并利用
图 5 试验井采集数据成像图
测井仪数据采集系统设计 [ J ] 1 石油机械 , 2009,
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从图 5 可以看出 , 在 1 ∶10 的显示比例下 , 在 井深 86 m 处使用数字相敏检波采集的数据绘制的图 像在细节上更清晰一些 , 图像中噪点偏小 , 图像的 分辨率及清晰度亦好于模拟相敏检波。说明采用数 字相敏检波采集的数据更有利于图像细节的分析。