基于FPGA的短窗－长窗能量比首波检测技术

叶顶胜 赖春红 胡培毅

（1.川庆钻探测井公司，重庆 400021；2.西华师范大学，南充 637002）

基于FPGA的短窗－长窗能量比首波检测技术

叶顶胜1赖春红2胡培毅1

（1.川庆钻探测井公司，重庆 400021；2.西华师范大学，南充 637002）

于随钻声波仪器在由电池供电后数据不能实时传输到地面进行监测，而只是对全波列数据进行实时的采样存储。为了不使首波信号过强或过弱，影响时差数据的提取，本仪器采用基于FPGA的短窗－长窗能量比首波检测技术，通过对首波的检测动态控制增益大小达到了井下自动增益控制的需求，此技术的成功应用方便了时差数据的提取。

随钻；声波测井仪；自动增益控制；首波检测

随钻声波测井仪采用双发四收的模式纪录全波列信号，仪器发射接收时序如下：T1R1、T1R2、T1R3、T1R4、T2R1、T2R2、T2R3、T2R4 采 用 串 行 接收的模式，由于钻具速度较慢，采用串行接收即可满足地层分辨率需求。仪器工作过程如下：当接通电池后仪器处于自发逻辑和接收序列中，仪器对全波列信号进行采集存储，当测井完成后在地面把存储器里面的内容提取出来，通过地面软件计算出时差信息，本仪器的设计主要是为了获得地层的纵波时差数据。

随钻声波测井仪器与电缆声波测井仪器不同之处在于电缆声波测井实时地传送声波信号到地面，为了不使声波信号过强或过弱，人工可以干预增益控制信号；可是随钻声波测井仪器是采用采样存储机制不实时传送信号到地面，也就不能得到人工的增益调节，为了获得准确的地层时差信号，必须保证首波不能过强或过弱，那么就需要采用全自动增益控制技术。全自动增益控制技术的核心内容即为本文介绍的短窗－长窗能量比首波检测技术。

仪器的总体设计功能框图如图1所示，整个仪器由FPGA控制，通过多路选择器选择需要处理的信号通道，前置信号调理电路的主要功能是对声波信号做预处理，包括放大、滤波以及根据实际声波信号的幅度做自动增益控制。FPGA的主要功能是采集前置信号调理电路传递来的模拟信号，并对转换后的数字信号进行相应的数字滤波、首波提取、自动增益控制及存储等。

图1 总体设计功能框图

1 短窗－长窗能量比方法

如图2所示，纵波三个波幅的能量分别为E1、E2 和 E3，且 E1＜E2＜E3，采取以下步骤判定首波。首先使用短窗－长窗能量比的方法检测出信号的波至点；然后在时间序列上往后寻找E1、E2和E3，根据E1＜E2＜E3的关系和首波门槛条件来判定E1是否是需要得到的首波。

图2 典型声波波形图

计算短窗－长窗能量比方法的原理见图3。图3中每个步进短窗窗长相等（取10个取样点），每次步进一个样点，以第n个样点为开窗点的第m个短时窗能量值Sm为

式中：l—窗长；Ai—信号能量。

第m个步进短窗时的长窗能量值Em为

图3 首波检测

短窗能量与长窗能量比值关系为：

式中：S—短窗能量；E—长窗能量。

在首波到达前，包络振幅近于0值，S与E近于相等，则R为一条近于1的水平直线；波至点处，S会突然增大，而E滞后于S缓慢增大，因而在波至点处R表现为明显的脉冲极值。同时根据本仪器首波门槛值为大于1/10限幅信号，就可以检测到首波信号。

2 FPGA实现方法

FPGA实现中第一步是需要求出波至点，求波至点的方法是建立在移位寄存器上的。由于声波信号的中心频率为20kHz，本设计采用200 kHz的采样频率，短窗长度为10，长窗长度为50。分别设计了两个移位寄存器组，其中一组用于计算Sm，另一组用于计算Em。其结构框图如图4所示。

当开始采样时同时把数据送入Em移位寄存器组和原始数据移位寄存器组，当Em移位寄存器组满后开始将最新的10组数据送入Sm移位寄存器组，在采样时钟的控制下Em计算器和Sm计算器并行工作，用于获取波至点处特征信号；当获取到波至点后，在波至点后30组的数据中通过对原始寄存器组极致搜寻法分别搜寻到一个正极值、一个负极值、第二个正极值即为需要寻找的E1、E2和E3。

图4 FPGA实现结构图

仪器采用ACTEL军品级FPGA A42MX36作为核心控制芯片，芯片具有54K个系统门，超大容量的系统资源和军品级温度性能保证了仪器的稳定可靠运行。FPGA主要完成了如下工作：AD控制、数字滤波、首波提取、自动增益控制、发射控制及存储管理，其控制框图如图5所示。

图5 程序结构图

3 结 论

本仪器采用了基于FPGA的短窗－长窗能量比首波检测技术，通过对首波的检测动态控制增益大小达到了井下自动增益控制的需求，在没有人工干预增益的情况下声波首波值不易过大或过小，使得随钻声波测井仪能够正确地获取地层时差数据。采用ACTEL的军品级超大规模FPGA作为核心控制单元，使仪器具有集成化程度高、温度性能好、增益调节速度快等优点。

[1]杨诚，赵景波.FPGA可编程技术在数字声波中的应用[J].石油仪器，2009,23(3):81-83.

[2]胡文祥.声波测井资料弱初至波检测新方法[J].江汉石油学院学报，1994，16(增刊)：24-25.

FPGA-based Short Window-long Window First Wave Energy Ratio Detection Technology

YE Dingsheng1LAI Chunhong2HU Peiyi1
(1.Chuanqing Drilling&Logging Company，Chongqing 400021；2.China West Normal University，Nanchong 637002)

As the LWD acoustic instrument powers by the battery,and the data can not be monitored real-time transmission to the ground,but only in full-wave real-time sample storage mode,in order not to make the first wave of the signal too strong or too weak,affecting the DT extraction.This instrument uses a downhole FPGA-based short window-long window first wave energy detection,through the use ofenergy testing technology fulfiled automaticly gain control demand,the successful application of this technology facilitate the extraction of DT data.

LWD；acoustic instrument；automatic gain control；first wave detection

TN911

A

1673-1980（2012）01-0137-03

2011-08-26

叶顶胜（1980-），男，四川隆昌人，硕士，工程师，研究方向为仪器研发。