泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统，所述的方法包括以下步骤：S1，接收从泥浆介质中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；S2，对接收到的信号进行低通滤波；S3，对低通滤波后的信号进行平均算法处理；S4，对平均算法处理后的信号进行契比雪夫低通滤波；S5，对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理；S6，对放大处理后的数据进行减基值处理；S7，根据编码协议从接收到的信号中解调出井下测量数据。本发明尤其是通过进行信号的放大处理后，可以将与有效脉冲形状宽度一致的脉冲的比例放到最大，从这个角度来讲，也就是拉开了有效脉冲与其它形态的干扰脉冲的幅度，从而有利于检波解码，提高了解码的准确率。
【专利说明】泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及地质资源勘探和开发钻井中的随钻测量技术，尤其涉及一种泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统。
【背景技术】
[0002]目前，在地质资源勘探和开发钻井领域广泛使用的随钻测斜仪(MWD)和随钻测井仪(LWD)等随钻测量仪器，它的特点是采用无线系统进行测量，取代了传统有线测量系统的长电缆，使用方便，实现了井下测量数据的实时测量，提高了地质勘探及钻井的效率。
[0003]MWD和LWD这类仪器多是采用泥浆(钻井液)为介质将井下测量数据传输到地面。井下测量数据先根据设定的编码规则调至成一定序列的压力脉冲信号，通过泥浆脉冲器改变泥浆压力在泥浆流体中产生一系列的压力脉冲，在地面的泥浆管路上安装一个立管压力传感器测量泥浆的压力变化，然后再通过硬件和软件完成信号检测识别，通过一定的运算算法和解码规则将井下测量数据信息解调出来。
[0004]由于压力信号在泥浆传输中会衰减，同时还会受到泥浆泵以及回波等多种因素的影响，会在泥浆脉冲信号中叠加很多干扰，尤其在噪声干扰恶劣的情况下，根本无法检测出有效信号，严重影响井场的正常工作，限制了此类随钻测量仪器的使用，因此将淹没在强背景噪声信号中的微弱信号检测出来，是泥浆信道系统中识别编码序列传输数据的关键技术。
[0005]申请号为200410005525.0的专利申请公开了 “一种接收和检测泥浆压力脉冲信号的方法及装置”，其采用不同的方法来解决噪声和干扰问题，但是通过该方法处理后的泥浆压力脉冲信号仍然存在严重的解码误差问题，因而急需对其进行改进。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是除噪、去干扰处理后的泥浆压力脉冲信号仍然存在的解码误差严重的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:一种泥浆压力脉冲信号的检测方法，包括以下步骤:
[0008]SI，接收从泥浆介质中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；
[0009]S2，对接收到的信号进行低通滤波；
[0010]S3，对低通滤波后的信号进行平均算法处理；
[0011]S4，对平均算法处理后的信号进行契比雪夫低通滤波；
[0012]S5，对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理；
[0013]S6，对放大处理后的数据进行减基值处理；
[0014]S7，根据编码协议从接收到的信号中解调出井下测量数据。
[0015]优选的，步骤SI中，采用时间槽定位编码方法将井下测量数据编码调制成含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；从而可以使得在设定好的时间内只有一个脉冲为有效脉冲，可以有效去除干扰脉冲的影响。
[0016]更优选的，采用时间槽定位编码时，同步头为4个等间隔的脉冲，同步头后加入状态码来确定后面的解码序列，从而可以在提高解码效率的同时保证准确同步。
[0017]优选的，步骤S2中，对接收到的信号进行四阶硬件低通滤波。
[0018]本发明的步骤S3中，所述的对低通滤波后的信号进行平均算法处理包括:连续采集32个信号，去掉最大值和最小值后作平均处理。
[0019]优选的，步骤S4中所述的进行契比雪夫低通滤波包括:选用ChebyshevII型滤波器(阻带等纹波)，设计八种不同截止频率(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4Hz)的滤波器进行滤波，可以根据数据中噪声的不同情况选择使用，将接收到的信号与设计的滤波器进行卷积处理，将高于设定截止频率的噪声滤掉，从而可以达到最有效的除噪效果。经大量试验验证后，本发明将契比雪夫低通滤波器的截止频率设计为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4Hz，从而使得该契比雪夫低通滤波器的滤波效果更为明显。
[0020]更优选的，步骤S4中，进行契比雪夫低通滤波时，通带边频为2Hz，通带最大衰减小于0.1dB,阻带边频为3Hz，阻带最小衰减大于60dB，从而可以更有效的滤掉高频噪声。
[0021]优选的，步骤S5中所述的对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理包括:设计与有效泥浆压力脉冲形状相近的波形模板；将契比雪夫低通滤波后的信号与波形模板进行运算处理，使得与波形模板相似的压力脉冲放大。放大处理的原理是设计与有效脉冲形状最相似的波形模板，这个模板与滤波后的波形进行点乘(即运算处理)，点乘后会把不同形状的脉冲都进行放大，但是与波形模板最相近的脉冲的放大幅度最大，这样就达到了放大有效脉冲提高脉冲识别率的效果。
[0022]本发明的步骤S6中，采用三阶龙格-库塔算法对放大处理后的数据进行减基值处理，从而可以把脉冲波形的基值拉到O附近，有利于采用一个门限值判定同步头的有效脉冲，同时只有基值一致，才能在解码时采用按槽查找最大能量的方法找出有效脉冲(因为基值与泵压对应，泵压有可能会波动，解码查找同步头时需要用到门限，只有将基值调整到0，才可以使用门限查找同步头)，另外，采用该算法对误差进行抑制，精度较高。
[0023]实现前述方法的泥浆压力脉冲信号的检测系统，包括:立管压力传感器、数据采集处理器和计算机，数据采集处理器分别与立管压力传感器和计算机连接；所述的立管压力传感器，用于测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；数据采集处理器，用于接收来自立管压力传感器的信号，并对该信号进行低通滤波和信号平均算法处理；计算机，用于接收数据采集处理器发送的数据，并对该数据依次进行契比雪夫低通滤波处理、放大处理和减基值处理；再根据时间槽定位编码方法的编码协议将井下测量数据解调出来。
[0024]发明人经过大量的测试研究发现:由于低通滤波器滤除的只是高频信号，但实际的泥浆压力脉冲信号不仅存在泵引起的高频干扰，同时还存在很多其他因素引起的低频干扰，而这种低频干扰如果不采取方法进行滤除就很容易被解码系统误认为是有效脉冲，从而引起解码错误的问题。
[0025]与现有技术相比，本发明通过对泥浆压力脉冲信号进行低通滤波、平均算法处理、契比雪夫低通滤波、放大处理及减基值处理，从而可以将泥浆泵的噪声及钻井作业过程中产生的其他随机杂波噪声过滤掉，将微弱的有效信号提取出来；尤其是本发明通过进行信号的放大处理后，可以将与有效脉冲形状宽度一致的脉冲的比例放到最大，从这个角度来讲，也就是拉开了有效脉冲与其它形态的干扰脉冲的幅度，从而有利于检波解码，提高了解码的准确率；此外，本发明采用时间槽定位编码方法将井下测量数据编码调制成含有泥浆压力脉冲编码信息的信号，从而从编码方式上进一步实现了去除噪声的功能(因为时间槽的方法是定义在一段时间内或者说特定的槽数中只有一个有效脉冲，这样根据能量最大的方法，可以锁定有效脉冲，而这段时间内的其它干扰脉冲都会忽略不计；所述的能量最大的方法，即根据编码协议，每个脉冲会占据两个槽宽，这样在算法上，通过每两个槽宽对相关放大减基值处理后的数据进行积分运算，也就是把每两个槽的所有数据点的值相加，结果值最大的就认为是有效脉冲)，也进一步提高了解码的准确率。另外，试验研究表明:三阶硬件低通滤波器不能有效滤除高频干扰，而四阶硬件低通滤波器则能满足系统滤波要求，因而本发明对接收到的信号进行四阶硬件低通滤波，节约了资源。此外，本发明通过调整相关放大器的参数，包括宽度和形状，其中，所述的宽度与脉冲宽度一致，形状分为高帽和三角，可根据原始脉冲的形状来确定，从而可以更有效的滤除各种随机杂波噪声。本发明还根据信号采样频率、数据采集处理器与解码计算机数据通讯时的数据发送周期及测试实验结果，连续采集32个信号，去掉最大值和最小值后作平均处理，从而可以在满足系统性能的基础上，使得除噪、去干扰的效果更好。最后，本发明中采用时间槽定位编码时，同步头为4个等间隔的脉冲，同步头后加入状态码来确定后面的解码序列，从而可以在提高解码效率的同时保证准确同步；如果同步头为3个脉冲时则容易误把干扰脉冲当作有效脉冲，引起同步错误；同步头为5个脉冲时则增加了同步时间降低了解码效率；而如果同步头为4个脉冲时，则可以有效找到同步，既提高了解码效率又保证了准确同步；另外，同步后下一个脉冲为状态码，通过状态码从而可以确定接下来的数据序列是哪些参数，然后就可以按照编码协议通过能量最大的方法来找到有效脉冲，进行解码。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的一种实施例的工作流程图；
[0027]图2是本发明的一种实施例的系统结构示意图；
[0028]图3是原始数据波形经过截止频率为I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图；
[0029]图4是原始数据波形经过截止频率为0.5或I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果不意图；
[0030]图5是软件解码时找到同步头和状态码的示意图；
[0031]图6是软件按时间槽解码的效果图；
[0032]图7是进行放大处理前后的效果对比图。
[0033]附图标记:1-立管压力传感器，2-数据采集处理器，3-计算机。
[0034]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0035]本发明的实施例:一种泥浆压力脉冲信号的检测方法，如图1所示，包括以下步骤:
[0036]SI，采用时间槽定位编码方法将井下测量数据编码调制成含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；接收从泥浆介质中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号；
[0037]S2，采用低通滤波器MAX292对接收到的信号进行四阶硬件低通滤波；
[0038]S3，对低通滤波后的信号进行平均算法处理；所述的平均算法处理包括:连续采集32个信号，去掉最大值和最小值后作平均处理；
[0039]S4，对平均算法处理后的信号进行契比雪夫低通滤波；其中，通带边频为2Hz，通带最大衰减小于0.1dB,阻带边频为3Hz，阻带最小衰减大于60dB ;进行契比雪夫低通滤波时选用ChebyshevII型滤波器，设计八种不同截止频率的滤波器进行滤波，将高于设定截止频率的噪声滤掉；所述的八种不同截止频率可以为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4Hz ；
[0040]S5，对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理；所述的进行放大处理包括:设计与有效泥浆压力脉冲形状相近的波形模板；将契比雪夫低通滤波后的信号与波形模板进行运算处理，使得与波形模板相似的压力脉冲放大；
[0041]S6，采用三阶龙格-库塔算法对放大处理后的数据进行减基值处理；
[0042]S7，根据编码协议从接收到的信号中解调出井下测量数据，其中，同步头为4个等间隔的脉冲，同步头后加入状态码来确定后面的解码序列；按时间槽解码的效果图如图6所示；解码时找到同步头和状态码的示意图如图5所示。
[0043]实现上述方法的泥浆压力脉冲信号的检测系统，如图2所示，包括:立管压力传感器1、数据采集处理器2和计算机3，数据采集处理器2分别与立管压力传感器I和计算机3连接；所述的立管压力传感器1，用于测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；数据采集处理器2，用于接收来自立管压力传感器I的信号，并对该信号进行低通滤波和信号平均算法处理；计算机3，用于接收数据采集处理器2发送的数据，并对该数据依次进行契比雪夫低通滤波处理、放大处理和减基值处理；再根据时间槽定位编码方法的编码协议将井下测量数据解调出来。
[0044]发明人对上述实施例中的契比雪夫低通滤波效果进行了试验研究，如图3所示(图3是原始数据波形经过截止频率为I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图，其中，上面的是原始数据波形，下面的是截止频率为I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图)，结果表明:采用截止频率为I的契比雪夫低通滤波器滤波后，可以有效滤除高频噪声。尤其是如图4所示(图4是原始数据波形经过截止频率为0.5或I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图，其中，上面的为截止频率为I的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图，中间的为原始数据波形，下面的为截止频率为0.5的契比雪夫低通滤波器滤波后的波形效果示意图)，采用截止频率为0.5Hz的契比雪夫低通滤波器进行滤波的效果更好；此外，发明人对放大处理的效果也进行了研究，如图7所示(图7是进行放大处理前后的效果对比图，其中，上面的是经过本发明的低通滤波、平均算法处理、契比雪夫低通滤波处理后的数据波形示意图；下面的是经过本发明的低通滤波、平均算法处理、契比雪夫低通滤波、放大处理后的数据波形示意图)，由图7可知:经过本发明的放大处理后，可以将杂波的副值变小，将与有效脉冲形状宽度一致的脉冲的比例放到最大，从而拉开了有效脉冲与其它形态的干扰脉冲的幅度，有利于检波解码，提高了解码的准确率。
【权利要求】
1.一种泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 31，接收从泥浆介质中传来的含有泥浆压力脉冲编码信息的信号； 32，对接收到的信号进行低通滤波； 33，对低通滤波后的信号进行平均算法处理； 34，对平均算法处理后的信号进行契比雪夫低通滤波； 35，对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理； 36，对放大处理后的数据进行减基值处理； 37，根据编码协议从接收到的信号中解调出井下测量数据。
2.根据权利要求1所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤31中，采用时间槽定位编码方法将井下测量数据编码调制成含有泥浆压力脉冲编码信息的信号。
3.根据权利要求2所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，采用时间槽定位编码时，同步头为4个等间隔的脉冲，同步头后加入状态码来确定后面的解码序列。
4.根据权利要求1所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤32中，对接收到的信号进行四阶硬件低通滤波。
5.根据权利要求1所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤33中所述的对低通滤波后的信号进行平均算法处理包括:连续采集32个信号，去掉最大值和最小值后作平均处理。
6.根据权利要求1?5任一所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤84中所述的进行契比雪夫低通滤波包括:选用型滤波器，设计八种不同截止频率的滤波器进行滤波，将高于设定截止频率的噪声滤掉；所述的八种不同截止频率分别为 0.5、1、1’ 5、2、2’ 5、3、3’ 5、4只2。
7.根据权利要求6所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤54中，进行契比雪夫低通滤波时，通带边频为2?，通带最大衰减小于0.1(18，阻带边频为3?，阻带最小衰减大于60(18。
8.根据权利要求1所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤35中所述的对契比雪夫低通滤波后的信号进行放大处理包括:设计与有效泥浆压力脉冲形状相近的波形模板；将契比雪夫低通滤波后的信号与波形模板进行运算处理，使得与波形模板相似的压力脉冲放大。
9.根据权利要求8所述的泥浆压力脉冲信号的检测方法，其特征在于，步骤36中，采用三阶龙格-库塔算法对放大处理后的数据进行减基值处理。
10.实现权利要求1?9所述方法的泥浆压力脉冲信号的检测系统，其特征在于，包括:立管压力传感器(1)、数据采集处理器(2)和计算机(3),数据采集处理器(2)分别与立管压力传感器(1)和计算机(3)连接；所述的立管压力传感器(1),用于测量立管处的泥浆压力，将立管压力的变化转换为电信号；数据采集处理器(2),用于接收来自立管压力传感器(1)的信号，并对该信号进行低通滤波和信号平均算法处理；计算机(3),用于接收数据采集处理器(2)发送的数据，并对该数据依次进行契比雪夫低通滤波处理、放大处理和减基值处理；再根据时间槽定位编码方法的编码协议将井下测量数据解调出来。
【文档编号】E21B47/12GK104343440SQ201410438105
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】林恩怀, 龚永萍, 孙琦, 刘瑞娟, 黄有奇 申请人:北京市普利门电子科技有限公司