井下微弱信号的分析处理与研究

西安石油大学电子工程学院 王 征 刘升虎 武 园 李 野 房 昭

1 课题研究背景

电路在理想环境下工作时，不管被测信号是有多么微弱，只要将信号合理放大，就可以对信号进行准确测量。然而，现实中井下工作电路基本上都会受到不同程度的干扰，比如噪声、振动、高温、高压、磨损情况等。因此，检测微弱信号的时候，如果想提高整个系统的测量精度，提高信号的信噪比就显得尤为必要。在系统中，抗干扰始终是人们需要考虑的问题，尤其对于微弱信号的采集、远距离数据传输系统来说，抗干扰性能良好是保证系统可靠性的必要条件。

2 行业发展中井下信息无电缆传输技术研究的重要性

此研究是将钻井过程中的井斜、方位、地层倾角、地层压力、地层电阻率、岩性密度、自然电位等井下信息实时地传输到地面，进而对认识地层特性、指导钻井作业、提高生产效率、合理开采油气资源有重要的意义。

随钻测井相较于裸眼井测井的优势在于：（1）地层受侵入效应的影响小；（2）所获取的地层信息更真实；（3）钻井的进尺速度较慢，有利于进行精细测井。但是随钻测井需要向地面传输的信息量很大，现有的泥浆压力脉冲传输速率很难满足实际的生产需求。目前，井下信息传输体制已成为制约随钻测井进一步发展的桎梏，因此，进行井下信息传输技术的研究已经迫在眉睫。

3 井下信息无电缆传输技术研究中信号处理分析的必要性

信号的传输是通过生产油井的油管和套管作为传输路径实现传输，使用电路等效传输线的方法，即不需要传统的数据传输信道，比如电缆、光纤等，此方法称为“无线传输”。在无线传输中，用电路来等效传输线则变得尤为重要。采用电缆传输本身就具有一定的难度，此时又要通过电路来等效电缆采集信号，由于井下环境复杂，信息会受到不同程度的干扰，因此，所采集的信号通常比较微弱，若要研究分析该信号，则需要通过信号处理电路。信号处理电路采用了数字信号处理器，它的主要功能是通过高速A/D对接收的微弱信号进行采集、放大、滤波等处理，并将结果保存在存储器中，同时通过串口进入计算机，应用计算机中的软件进行模拟仿真，对井下所采集的信息进行处理和分析，进而得知井下的岩层结构及油气藏所在的位置。

4 信号处理的实现

（1）信号处理功能的实现

如图1所示，通过传感器采集井下微弱信号传输至地面，通过放大电路将微弱信号进行放大处理，再进行A/D转换，即将模拟信号转换成数字信号，便于处理与分析；然后，将转换后的数字信号输入到DSP系统进行处理，此时应注意该系统的系统参数，进而提高系统的稳定性；接下来将结果保存在存储器中，通过串口进入计算机，实现信号处理功能。

图1 信号处理程序框图

（2）DSP系统

数字信号处理就是用数值计算的方法对信号进行处理，这里“处理”的实质是“运算”，处理对象则包括模拟信号和数字信号。[2]其优势：1、可程控；2、稳定性好；3、可重复性；4、抗干扰性能好等。[3]而数字信号处理器（DSP系统），是一种适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用在于实时地快速地实现各种数字信号处理算法。

5 方案设计

（1）前置放大器

在井上接收电路中，前置放大器是微弱信号检测仪器装置中的主要部件，因此，在本方案中涉及到了前置放大电路的设计。从理论计算、计算机仿真及实际电路调试等方面着手设计了与之相匹配的前置放大电路，同时完成了地面接收系统的相干解调电路设计，利用计算机软件完成了终端用户界面的设计，最终实现与计算机的通信。

（2）采样定理

采样定理，又称香农采样定律、奈奎斯特采样定律，是现代数字信号处理的理论之一。为了不失真地恢复模拟信号，采样频率fs应该不小于模拟信号频谱中最高频率fc 的2倍（ f s≥2f c）。采样定理的重要性在于它是连续时间信号和离散时间信号之间的桥梁，所以本方案严格遵守采样定理，确保方案设计的可行性。[1]

（3）调制解调

数字信号处理中的调制解调技术，可以将低频的基带信号搭载到高频载波信号上，经过对传输信号的频率搬移，使之找到更加合适的信号传输频率段，并在此进行数据传输，系统的抗干扰能力明显得到提升，同时信号的传输效率也随之提高。

信号调制选择FSK（频仪键控），之所以采用FSK方式进行调制，是因为采用FSK方式调制的信号比采用ASK（振幅键控）方式调制的信号具有更好的抗干扰性，而FSK调制的实现技术比PSK（相移键控）调制的要求要简单。综合考虑，采用FSK方式进行信号调制。用其他两种信号调制方式作实验对比。[4]

（4）调试

整个方案执行到最后阶段，调试环节也是不容小觑。一个好的调试方案，能及时合理的在调试过程中发现问题，从而通过进一步改进，最终提高系统的可靠性和稳定性。

6 结论

经过一系列的电路处理提取其中的有用信号并得到了一定的实用效果，主要研究了信号的处理与分析，成功进行了信号的调制，对信号接收调理进行了分析与研究，简要讨论了滤波与检波，实现了FSK信号的解调工作。单独增加信号输入电压或功率，接收端信号电压幅值将增大。通过对信号的处理与分析，找出了可以使井下数据能稳定，可靠以及衰减幅度较小的无线传输频带。和理论的数据结果有较小的出入，为井下无线传输的进一步发展提供了参考。

在课题的研究过程中，将微弱信号中的强噪声滤除，并对有用信号再放大后利用计算机终端进行处理分析，既简单又直接是未来的一个大方向。本文主要是对井下的信息处理与分析得到相应的结论，对信号调理补偿电路还未进行深入的研究。在今后的学习中，我们将进一步进行深入的研究与探索，为提高系统的稳定性和持久性，还需要作大量现场试验研究工作。

[1]于慧敏.信号与系统[M].北京:化学工业出版社教材出版中心,2003,4(2):186.

[2]高西全,丁玉美.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2016(4):1.

[3]彭启琮,李玉柏,管庆.DSP技术的发展与应用[M].北京:高等教育出版社,2013,5(3):2.

[4]杜睿攀.随钻测量数据的井下无线电磁传输系统设计研究[D].西安:西安石油大学,2013.5:40.