浅谈新型超声成像测井仪的设计与研究

孟 明 彭伟斌 赵乃赓

（北京中地英捷物探仪器研究所，北京 昌平 102200）

一、概述

早期的超声波成像测井仪由于数据采集技术的限制，数据量太大，缺乏高性能计算机系统的支持等原因，难以推广使用。直到20世纪90年代，随着电子技术、数字记录技术和计算机技术以及单片机的发展，超声波成像测井技术才逐步完善成熟，成为地球物理测井的一个有效方法，而我国在煤、煤层气等资源的成像测井和地质应用方面几乎为空白。近期北京中地英捷物探仪器研究所通过消化、吸收国内外先进的小井径超声成像测井仪基础上，研制出新型全数控超声成像测井仪，为煤炭地质系统首台，属国内领先水平。

二、仪器概述

这种超声成像测井仪采用了旋转式园片状压电陶瓷聚焦超声换能探头，每秒钟向井壁发射2560次的声波脉冲信号（10圈/秒），其返回的声幅信号经回波预处理电路、程控增益放大电路、程控门坎电路、峰值保持电路、回波时间检测电路、行同步信号提取电路、命令接收电路等进入单片机C8051F060。各单元电路在单片机的控制下协调地工作，完成声波发射、接收、处理和上传功能。

（一）超声成像测井地面系统

由于超声成像测井仪的数据量很大，这套仪器中采用了2路16位的A/D采样，其数据量可达到近100Kbit/s，因此原有的电缆模拟传输系统和数字编码传输系统已不能满足超声成像测井的要求。为此新研发了专门用于成像测井系统的高速电缆通讯系统，即高速电缆遥测短节。这种电缆遥测系统使用了目前最新的调制解调载码通讯技术，该系统采用标准的网络通讯协议，在3000米￠4.75mm的四芯电缆上以全双工方式传输数据，波特率为1MB/S的情况下，4个小时无任何误码现象发生，从而克服了测井电缆不能传输高速数据的瓶颈现象，同时也为各种新老井下仪器的配套和任意组合打下基础。

（二）C8051F060的功能特点

C8051F060[1]内核采用流水线结构，速度可达25M IPS(25MHz晶振)；其指令与标准系列51单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易，该芯片的JTAG调试方式支持在线系统，全速，非插入调试和编程，且不占用片内资源。特点如下：

（1）8个I/O端口，其中包括4个低部端口P0～P3(可位寻址)和4个高部端口P4～P7(不可位寻址)。可通过交叉开关实现I/O端口的灵活配置；

（2）5 个 16 bit计数/定时器 T0～T4。具有自动装载、捕获、输出占空比为50%方波等功能；

（3）2通道16 bit的1MSPS A/D 转换器ADC0和ADC1,8通道10 bit 200 KSPS的A/D转换器ADC2；

（4）2通道12 bit D/A转换器DAC0和DAC1；

（5）可编程的16 bit的PCA计数器阵列,PCA有6个，可作为时基的捕捉/比较模块，每个模块有6种工作方式；

（6）3路模拟比较器，可以通过CPTnCN和CPT-rMD这两个寄存器进行设置，同时还可以设置上升沿或下降沿的比较器输出中断；

（7）通过 C8051F060的SPI可访问 4线全双工串行总线，C8051F060工作于全双工模式的主方式时，可以通过向数据寄存器SPIODAT写入1B来启动1次数据传送；

（8）C8051F060集成了CAN 总线控制器,CAN总线可组成多节点的测控系统。

综上所述,C8051F060是一种集成度高、功能强大的单片机芯片,非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统。

（三）探管硬件结构

以C8051F060单片机为主控芯片，设计了新型井壁超声成像测井仪的电路，单片机外围扩展了声波发射电路、声波发射幅度控制电路、回波预处理电路、程控放大电路、峰值保持器电路、回波时间检测电路、行同步信号提取电路、命令接收电路和PCM码合成驱动电路等，各电路单元在单片机的控制下协调地工作，完成声波发射、接收、处理和上传等功能。

发射电路是在C8051F060单片机的I/O口输出一定频率脉冲的控制下，重复地产生1MHz频率的超声波，由换能器发射出去，通过1路DAC可以控制声波发射幅度。回波预处理电路和程控放大器电路对回波信号进行滤波和放大后分成2路，一路送给峰值保持器后进入单片机的ADC通道；另一路送回波时间检测器后进入单片机记录回波时间。行同步信号提取电路对来自动滑环的行同步信号进行处理后进入单片机的外部中断口，作为行结束的标志。命令接收电路可实时接收地面仪器下发的指令，分别控制声波发射幅度和线性放大器的增益等。单片机处理的幅度信息和时间信息经单片机的RS232口输出，经高速电缆遥测短节，再通过电缆传送至地面，直接进入计算机进行处理。单片机内快速高精度的A/D、高速的SPI口输出和高精度的16 bit定时/计数器合理编程、协调地工作，既保证了高速声波数据采集又实现了大数据量传输。电路硬件框图见图1。

（四）单片机软件流程

C8051F060单片机的软件采用标准C语言编写,配以完善的硬件体系,完成对声波信号的发射、接收、处理和传输等功能。在软件编写过程中,充分利用各种中断源,达到了对硬件系统的实时控制，同时提高了软件的执行效率。通过单片机的JTAG口可进行程序的下载和在线调试。单片机软件流程图详见图2。

三、关键技术

该仪器为获得较高幅度的回波信号，使之适应裸眼井，重泥浆条件下的工作，换能器激励的直流稳压电源为+200V，经过发射变压器获得的激励脉冲峰峰值为600V左右，比以前的仪器提高约6倍。由此提高了接收声幅信号的信噪比，使图像更清晰，但同时也造成了干扰加大。

为了克服干扰，声幅接收处理电路、声波发射电路和步进电机驱动电路采用了电气全隔离措施，从电源到地全部分开，各是一套独立的系统。

井下仪器使用交流电源模块，为所有井下电路工作提供各种直流稳压电源，其中换能器激励电压为+200V，模似电路工作电压为±5V，数字电路工作电压为+3.3V（C8051F060单片机的内核工作电压+2.5V），有效地降低了放大检测和控制电路的功耗。

由于换能器在被激励瞬间需要极大的高压电流，因此采用了大容量的电容以避免高压波动太大。

结语

该高性能超声成像测井仪通过提高发射电压，可以承担裸眼井重泥浆环境下的测井任务，通过提高换能器旋转速率，提高了测井图像的纵向分辨率，使之能更加真实反映井壁的实际情况。

实验结果表明：与以前的仪器相比，该高性能的超声成像测井仪具有更好的成像效果，能清晰地反映井壁的裂缝和塌陷等情况。

[1]胡学红，李长文，魏海云.影响超声成像效果的模似实验[J].测井技术，2002，26（6）.

[2]鲁放，屈万里，余厚全等.《小井眼多功能超声成像测井仪》[J].测井技术，1999，23(6).

[3]刘付光，武学维，许方宁.美国Matrix测井系统超声波成像技术的应用及浅析[J].中国煤炭地质.2009（S2）.