核磁共振测井仪采集信号去噪处理方法

严磊, 陈乐乐, 王明才, 吴寒, 邓文传, 康又尹, 王献军

(1.中国石油集团测井有限公司华北分公司, 河北 任丘 062550; 2.中国石油勘探开发研究院,河北 廊坊 065007; 3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司, 陕西 高陵 710201)

0 引 言

目前哈里伯顿公司的P型核磁共振测井仪广泛应用于石油测井领域,但由于核磁共振所得到的回波信号都是nV级,非常微弱[4],信号从探头采集到电子线路逐级放大,再到DSP板采集、上传过程中,如果不将有效信号与干扰噪声分离,所采集的地层核磁共振信号就不能准确反映地层的真实情况。P型核磁共振测井仪电路中的主控电路CPU(FPGA)仅集成3000个门电路,只能做简单逻辑运算,大多数运算由外设完成,8 bit的DSP的运算速度慢,运算单元少,仅能作运算量小的基础运算,16 bit外置DDS,速度慢,精度低,可靠性差,不能发挥积分梳状滤波器(CIC)和数字滤波器(FIR)的优势,所接收的核磁回波信号质量差,不稳定且处理速度慢[1-3]。本文设计的硬件采用新的开发平台,选用CIC滤波器作为第1级滤波器,对信号进行提取和低通滤波,使得次级信号可以在较低阶数和频率下进行FIR滤波,节省了硬件资源,降低了功耗。采用FPGA设计CIC滤波器,并采用Matlab对FIR数字滤波器的窗函数进行选择,无须乘法运算,大大缩减运算数量[5]可得到更稳定,运算速度更快的核磁信号。

1 级联积分梳状数字滤波器(CIC)模块

级联积分梳状(Cascade Inlegralor Comb,简称CIC)滤波器是一种抽取滤波器。由于它只进行延时和加法操作,结构简单,不会带来复杂的乘法运算。因此,在有较高速率的信息系统中,采用CIC可以有效提高运算速度,作为系统中多级插值滤波的第一级滤波,使得下一级FIR滤波器减少了大量乘法运算,节省系统运算时间,提高了系统的实时性。

1.1 CIC基本原理

CIC滤波器由积分和梳状2部分组成,其结构原理如图1所示。

图1 CIC滤波器结构原理

在采样频率fs工作下的N阶理想积分器,其传递函数为

(1)

当CIC抽取滤波器的梳状部分工作在低速采样率fs/R(R是整数抽取因子)时,由M个差分延迟构成梳状器,差分延迟可以控制滤波器的频率响应特性,通常M的取值为1或2,梳状部分的传递函数为

HC=1-z-RM

(2)

复合CIC滤波器的系统传递函数为

(3)

从式(3)可以看出,CIC滤波器不包含乘法运算部分,其过程相当于N个相同单位系数的级联的FIR滤波器,其频率响应可以写成

(4)

式中,N、R和M分别为滤波器中积分与梳状部分的级数、抽取率大小和差分延时大小。设计滤波器时,可以通过对R、M和N的设置调整滤波器的特性,频率范围从0到预定截止值。

1.2 基于FPGA的CIC设计

本设计使用verilog HDL语言,采用Xilinx公司Virtex系列XCV600作为FPGA硬件开发平台。根据核磁共振测井仪系统设计的要求,采样速率为10 MHz,基带信号带宽约0.2 MHz,选取N=5,M=1,R=8。运用Xilinx公司的ISE8.2进行布线和下载。图2为通过FPGA设计的CIC滤波器系统示意图。

图2 CIC滤波器系统示意图

2 数字滤波器FIR设计

核磁共振的信号在测得后,采用脉冲序列的发送方式,进行数据量化和A/D转换,通过数字滤波器滤波,然后进行编码计数,传送给上位机。数字滤波器FIR的单位冲激响应是有限长的,而且具有严格的线性相位,可以具有任意的幅度特性,用快速傅里叶变换对信号进行过滤,可以提高运算速度。数字滤波器FIR的设计方法有窗函数法、频率采样法和计算机辅助设计法。核磁共振测井仪的数字滤波器采用偶对称结构,所以该仪器的滤波器是严格线性相位的滤波器,可以选择运用较广的窗口函数法。

2.1 窗函数设计原理

FIR数字滤波器窗函数法的设计是用不同的截取函数对信号进行截取,从而把无限长非因果脉冲序列转化成有限长的因果脉冲序列。希望得到理想的滤波器频率响应,但由于理想滤波器频率响是逐段恒定,在边界频率处有不连续点无法实现。因此,需用有限长序列来逼近无限长序列,保证滤波器具有线性相位。

2.2 窗口函数的选择

窗函数有矩形窗、三角窗、升余弦窗和改进升余弦窗等,下面通过Matlab中FDATool,给出这4种窗函数的幅频和相频相应曲线,反复测试不同的函数,根据核磁共振测井的回波信号要求,选用48阶低通滤波器,采样频率10 kHz,滤波器为1 kHz可达到设计要求,4种窗口函数仿真如图3所示。

图3 4种窗口函数仿真

通过图3可以得出,矩形窗的第1旁瓣为-20 dB,三角窗的第1旁瓣为-30 dB,升余弦窗的第1旁瓣为-40 dB,改进升余弦窗的第1旁瓣为-50 dB以上,按照信号滤波要求,选择尽量小的第1旁瓣,因此选择改进升余弦窗会更有效地去除核磁共振回波信号中的毛刺,达到较好的滤波效果。

在现场通过地面主机采集到的核磁共振回波信号滤波,图4为经过8次累加后的核磁共振信号,该信号质量已达到国外测井仪器的水平。

图4 8次累加后的核磁共振回波信号

3 结 论

(1) 通过对核磁共振测井仪数字电路板在新的FPGA硬件开发平台进行CIC设计;根据核磁共振测井仪系统设计要求,为数据传输提供基础保障,集成可编程混频电路,可随时改变基带频率,更直观地了解信号信息。有限长单位冲激响应数字滤波器(FIR)可以确保具有线性相位,保证了滤波器系统的稳定性。将核磁共振信号进行抽取后,减少了主控电路的运算量,并实现FIR滤波器在低频环境下进行,再通过窗函数的设计,改进升余弦信号,有效地消除了核磁共振回波信号中的噪声。

(2) 通过核磁共振仪器进行现场试验,采集到比较理想的核磁共振信号。该设计简化核磁共振主控电路的电路设计,使得许多外部电路能够内部集成化,提高了系统的运算速度,使系统更加稳定可靠。

参考文献:

[1] FAN L N, XIU D H. Intelligent Temperature Instrument Based on the 89C51 Single Chip Microcomputer [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2004(8): 485-492.

[2] HAN J G, LIAO J B, TIAN G Y. Foundation and Application of Microcontroller [M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 112-129.

[3] HOGENOUER E B. An Economical Class of Digital Filters for Decimation and Interpolation [J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1981, 29(2): 155-162.

[4] 肖立志, 陆大卫, 柴细元, 等. 核磁共振测井资料解释与应用导论 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2001: 18.

[5] 姚齐国. 基于MATLAB的数字滤波器的设计 [J]. 江西理工大学学报, 2006, 27(1): 50-52.