王浩 黨博 董俊辰 張文輝 王晨

【摘要】套后儲(chǔ)層探測(cè)儀以瞬變電磁原理為基礎(chǔ)，通過電磁感應(yīng)測(cè)量地下介質(zhì)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化情況，可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。準(zhǔn)確了解地下的地層分布情況，為后期的開采提供直接的資料。然而探頭所采集到的二次場(chǎng)信號(hào)特別微弱，容易受到外界干擾，影響測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，給后期數(shù)據(jù)處理解釋造成困難。本文主要分析由前置放大電路板接收到探頭信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、AD采樣給單片機(jī)編碼、耦合上傳以及通信傳輸至井上地面機(jī)箱過程中信號(hào)噪聲與外部干擾的來(lái)源，并提供相應(yīng)解決方案。本文主要分析在信號(hào)傳輸、前置放大等過程中噪聲與外部干擾的來(lái)源，并提供相關(guān)的解決方案。

【關(guān)鍵詞】瞬變電磁;微弱信號(hào);前置放大;噪聲

引言

套后儲(chǔ)層探測(cè)儀是以瞬變電磁原理為基礎(chǔ)，測(cè)量的基本過程是利用發(fā)射線圈向外發(fā)射一次電磁信號(hào)，套管外物質(zhì)激勵(lì)起的感應(yīng)渦流會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)（通稱二次場(chǎng)）。二次場(chǎng)信號(hào)采樣分前中后期，前期信號(hào)較強(qiáng)可顯示套管自身特性;中后期信號(hào)則更能體現(xiàn)套管外的地層特性，但中后期信號(hào)較微弱，這就需要我們采取一些方法來(lái)將微弱的電信號(hào)進(jìn)行處理，以獲取其中有用的信息，采樣原理如圖1所示。

接收線圈將接收到的二次場(chǎng)信號(hào)送至井下電路，井下電路對(duì)微弱的二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、分段衰減、統(tǒng)一放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入PIC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼處理，加在TIP142的基極上使其導(dǎo)通，將數(shù)據(jù)送至井下耦合變壓器再通過電纜上傳至地面機(jī)箱進(jìn)行解碼判別（流程圖如圖2所示）。本系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼方式，通過高低脈沖方式進(jìn)行二進(jìn)制編碼傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)載流量高。再將地面機(jī)箱解碼出的二進(jìn)制數(shù)送至上位機(jī)進(jìn)行軟件顯示儲(chǔ)存處理。由于二次場(chǎng)信號(hào)比較微弱，各級(jí)噪聲干擾對(duì)其影響都比較大，這將影響原始測(cè)井信號(hào)的質(zhì)量，使測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此需要分析信號(hào)噪聲來(lái)源，研究相應(yīng)的信號(hào)處理方法，來(lái)提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖2 信號(hào)傳輸流程圖

1.微弱電信號(hào)的采集方法

本系統(tǒng)中選取了具有周期性的雙極性脈沖波，井下單片機(jī)分別給兩路MOSFET管加載控制信號(hào)，使兩路開關(guān)交替導(dǎo)通，從而產(chǎn)生雙極性的矩形脈沖序列，使發(fā)射線圈交替的沖放電。差分的接收線圈接收到微弱的二次場(chǎng)信號(hào)，通過兩級(jí)放大后將信號(hào)送入U(xiǎn)AF42芯片進(jìn)行濾波后得到的二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分段衰減。

圖4 編碼方式比較

通過瞬變電磁理論，井下所采集到的信號(hào)為二次場(chǎng)信號(hào)，通過對(duì)二次場(chǎng)信號(hào)的提取就可以得到相應(yīng)的套管與套管外地層信息。二次場(chǎng)瞬變信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大，信號(hào)在早、中、晚期的衰減速度與幅值差異非常大。早期的信號(hào)衰減快且幅值大，而中晚期的信號(hào)衰減慢并且幅值小。在整個(gè)信號(hào)的放大處理過程中若使用統(tǒng)一的放大倍數(shù)，可能會(huì)導(dǎo)致早期信號(hào)出現(xiàn)飽和失真使信號(hào)截至，信號(hào)噪聲會(huì)對(duì)較為微弱的中晚期信號(hào)造成較大影響，從而難以獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分段衰減后再進(jìn)行統(tǒng)一放大，分四種（）的倍數(shù)將信號(hào)衰減，并在硬件設(shè)計(jì)上采用由數(shù)字信號(hào)來(lái)控制分段衰減電路，這樣就可以在主控單元的控制下完成對(duì)二次場(chǎng)不同時(shí)期信號(hào)進(jìn)行有區(qū)別的處理。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

2.測(cè)井信號(hào)的傳輸方式

套后儲(chǔ)層探測(cè)儀信號(hào)的傳輸方式是以曼徹斯特編碼理論為基礎(chǔ)，曼徹斯特編碼發(fā)送的優(yōu)點(diǎn)是自含時(shí)鐘脈沖編碼，差分的曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的一種改進(jìn)，保留了其“自含時(shí)鐘脈沖編碼”的優(yōu)點(diǎn)，仍將每比特中的跳變作為同步之用，但是每比特的取值是根據(jù)其開始處是否出現(xiàn)電平的跳變來(lái)決定。每一位中間都有一個(gè)跳變，每位開始時(shí)有跳變表示“0”，無(wú)跳變表示“1”。位中間跳變表示時(shí)鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采用的準(zhǔn)曼徹斯特編碼在傳輸“1”時(shí)前后均為低電平，而傳輸“0”時(shí)前一半為高電平，后一半為低電平。具體由圖4所示。

由于曼徹斯特編碼是一種串行的數(shù)據(jù)通信方式，所以本系統(tǒng)采用將數(shù)據(jù)傳輸與供電傳輸在單芯電纜上同時(shí)進(jìn)行的方式，因此本系統(tǒng)在井下將信號(hào)耦合進(jìn)單芯電纜，而在地面需要將信號(hào)從單芯電纜上分離出去。為了使信號(hào)傳輸與井下供電互不干擾，我們采用了耦合變壓器的方式進(jìn)行信號(hào)的加載。地面機(jī)箱產(chǎn)生的直流電經(jīng)電纜傳輸?shù)骄?，而井下向地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)是以準(zhǔn)曼徹斯特后的脈沖電平，信號(hào)經(jīng)過反相器加到三極管的基極，來(lái)控制三極管導(dǎo)通，從而通過井下耦合變壓器將數(shù)據(jù)耦合在直流電上，但是在傳輸過程中由于電纜上帶有分布電容，會(huì)將原來(lái)的方波信號(hào)微分成正弦波信號(hào)。在地面機(jī)箱被耦合變壓器分離出來(lái)，后經(jīng)過二階有源低通濾波器與電壓比較器輸出方波。由于電壓比較器輸出為集電極開路，必須加上拉電阻才能輸出波形，其參考電壓由兩串聯(lián)電阻分壓得到。數(shù)據(jù)接收端分別通過一個(gè)二極管接到正負(fù)兩股電源線上，主要是起到限幅作用，使接收信號(hào)的幅度保持在有效范圍之內(nèi)，防止較大的脈沖信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)處理電路造成損害。整體傳輸方式如圖5所示：

圖5 信號(hào)耦合上傳

3.井下電路對(duì)信號(hào)的影響與處理方法

3.1 DC-DC電源噪聲對(duì)信號(hào)的影響

套后儲(chǔ)層探測(cè)儀是將170V直流電通過多芯電纜傳送到井下，使DC-DC電源模塊工作并為井下儀器電路供電。本系統(tǒng)所采用的是軍工級(jí)別FH5系列的DC-DC電源模塊，其是專門為工作于惡劣條件下的電子產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的。

DC-DC電源模塊在滿負(fù)載工作時(shí)有將近1W的功耗且它的體積較小;由于內(nèi)阻變化在電壓轉(zhuǎn)化過程中存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾;輸出電壓的紋波也會(huì)影響井下電磁信號(hào)的質(zhì)量，造成測(cè)井信號(hào)的不準(zhǔn)。

為了確保測(cè)井信號(hào)的質(zhì)量，根據(jù)DC-DC模塊自身的特性，應(yīng)該對(duì)其采取相應(yīng)的去噪處理。其方法如：（1）將電源外殼與儀器貼在一起，并加入良好的導(dǎo)熱介質(zhì)，可保證模塊外殼溫度不會(huì)過高;（2）在模塊與電路板、耦合變壓器之間加入合理的屏蔽與隔離措施;（3）因本系統(tǒng)需要將模塊的輸入輸出共地，所以要用最粗最短的線將其短路;（4）為防止DC-DC模塊產(chǎn)生的電磁干擾沿電力線傳導(dǎo)影響其他設(shè)備，在其輸入級(jí)加濾波器，并在DC-DC的輸出級(jí)加如圖6所示的大電容濾波與共模電感線圈用來(lái)吸收紋波干擾。

圖6 DC-DC輸出級(jí)濾波電路

3.2 前置放大電路中的噪聲影響

套后儲(chǔ)層探測(cè)儀瞬變電磁信號(hào)檢測(cè)中，接收線圈接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，早期信號(hào)衰減快，幅值大，而在中晚期信號(hào)衰減慢，幅值小，只有毫伏甚至微伏級(jí)。這就需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大處理。為了提高信號(hào)的數(shù)據(jù)采集精度，減少系統(tǒng)的噪聲，在信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中采用了前置放大電路。同時(shí)為了使接受線圈工作在臨界阻尼狀態(tài)而避免其振蕩，應(yīng)在接受線圈與前置放大電路中間加入匹配電阻，使信號(hào)不失真。

圖7中接收線圈接收到的信號(hào)通過由R1、R2、C1、C2組成的一階低通濾波器的輸入端，可以濾除接收線圈所接收到信號(hào)中的高頻信號(hào)。同時(shí)，R1、R2作為限流電阻使用，避免因電流過大將電路芯片燒毀;由二極管D1、D2、D3、D4組成的鉗位電路，使輸入信號(hào)保持在-12V-+12V的電壓范圍內(nèi)，保護(hù)后級(jí)的儀表放大器。前置放大電路具有噪聲小、增益穩(wěn)定、精確、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)前置放大電路的時(shí)候需要用抗高溫且精度高的元器件;電路需要合理的布線，并采用獨(dú)立的電源與合理的屏蔽與接地技術(shù)，這樣可以最大限度的降低外部干擾與耦合噪聲，且放大電路的閉環(huán)增益不能太大，可以用負(fù)反饋來(lái)改善放大器的性能，這樣做可以有效的防止放大器噪聲性能惡化。用以上方法可以改善電路的穩(wěn)定性，可有效的降低噪聲對(duì)其的影響。

圖7 接收信號(hào)放大電路

3.3 其他干擾帶來(lái)的影響

不完善的地線與電源線布置，不當(dāng)?shù)慕拥胤椒?，不妥善的屏蔽技術(shù)，測(cè)井過程中車載電器開關(guān)等都對(duì)測(cè)井曲線有著非常嚴(yán)重的影響。因此在設(shè)計(jì)電路板階段必須將交流電源與直流電源，交流地線與直流地線分開并加粗電源線與地線，減少環(huán)路電阻等都對(duì)電路噪聲有著很好的抑制作用。并且還要做好靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽等屏蔽技術(shù)降低干擾，禁止在測(cè)井過程中使用車載電器。此外，應(yīng)該按照儀器規(guī)定的測(cè)井速度進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，并盡量保持均勻的測(cè)井速度，防止因速度的突變?cè)斐蓽y(cè)井曲線發(fā)生形變，影響測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

4.試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)比地面試驗(yàn)中的DC-DC濾波前與濾波后的波形如下圖所示，試驗(yàn)井下電路帶電參數(shù)有：

發(fā)射雙極性波時(shí)間高為100ms，低為300ms，二次場(chǎng)信號(hào)下降時(shí)間為100ms。圖8（a）為DC-DC模塊濾波前的信號(hào)，圖8（b）為DC-DC模塊濾波后的信號(hào)，其毛刺干擾遠(yuǎn)小于圖8（a），圖9（a）為經(jīng)過放大濾波后的二次場(chǎng)信號(hào)，圖9（b）為未經(jīng)濾波后的二次場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)具有很大的紋波干擾。

圖8（a）DC-DC濾波前信號(hào)

圖8（b）DC-DC濾波后信號(hào)

圖9（a）經(jīng)濾波二次場(chǎng)信號(hào)

圖9（b）濾波前二次場(chǎng)信號(hào)

5.結(jié)論

套后儲(chǔ)層探測(cè)儀在升井下井的過程中可以按照接收到的電阻率的值的不同來(lái)區(qū)分地層介質(zhì)。本文通過對(duì)儀器電路信號(hào)微弱信號(hào)的采集以及噪聲與干擾的分析與探究，提出了一套相關(guān)的解決方法，而且能夠經(jīng)過試驗(yàn)取得較為良好的效果，有效的提高了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量與解釋的可靠性。

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基金項(xiàng)目：陜西省自然基金項(xiàng)目（Z13072）。

作者簡(jiǎn)介：

王浩，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)，測(cè)井信號(hào)處理。

黨博，博士，講師，主要研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理，測(cè)井信號(hào)處理。