声波信号放大方法和装置与流程

本发明涉及声波测井领域，具体地，涉及一种声波信号放大方法和装置。

背景技术：

声波测井是利用岩石的声学性质来研究钻井的地质剖面、划分岩层、判断气层、确定地层孔隙度、判断固井质量的一种方法。在声波测井中，由于井下地层介质中的声波信号强度非常弱，因此，需要通过声波增益电路将接收到的原始的声波信号强度进行放大。用于测井的常规声波增益电路能够提供固定步长的增益档位。通常情况下，固定步长为3dB，共24个档位，增益范围为0-69dB。在《声波电路自动增益控制设计与实现》(罗瑜林发表于《电子质量》2012第09期)中，公开了一种能够提供固定步长的增益档位的电路，该电路是声波测井领域中用于对声波信号进行放大的一种常规增益电路。由于常规声波增益电路提供固定步长的增益档位，因此，其硬件设计的难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种声波信号放大方法和装置，以降低增益电路的设计难度。

为了实现上述目的，本发明提供一种声波信号放大方法。该方法包括：在当前采样周期内，采集一声波信号；在预设的、具有固定步长的多个增益档位中选择针对所述当前采样周期的一增益档位；从一不固定步长增益电路提供的、具有不固定步长的多个增益档位中确定与所选择的增益档位对应的增益档位；将所述声波信号和用于表示所确定的增益档位的信息发送至所述 不固定步长增益电路，以由所述不固定步长增益电路根据所确定的增益档位对所述声波信号进行放大，并输出放大后的声波信号的信号强度；接收所述不固定步长增益电路输出的所述放大后的声波信号的信号强度；根据所确定的增益档位、所述放大后的声波信号的信号强度、以及所选择的增益档位确定与所选择的增益档位对应的所述声波信号的信号强度；以及输出所选择的增益档位与所确定的信号强度。

优选地，从一不固定步长增益电路提供的、具有不固定步长的多个增益档位中确定与所选择的增益档位对应的增益档位为以下中的任意一者：将所述具有不固定步长的多个增益档位中，不大于所选择的增益档位的增益档位中的最大增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；将所述具有不固定步长的多个增益档位中，不小于所选择的增益档位的增益档位中的最小增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；或者将所述具有不固定步长的多个增益档位中，与所选择的增益档位最接近的增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位。

优选地，所述具有固定步长的多个增益档位形成的增益范围包括在所述具有不固定步长的多个增益档位形成的增益范围内。

优选地，通过以下方式确定与所选择的增益档位对应的所述声波信号的信号强度：其中，V_AX为所确定的信号强度，V_BY为所述放大后的声波信号的信号强度，G_AX为所选择的增益档位，G_BY为所确定的增益档位。

优选地，根据在上一采样周期输出的增益档位来选择针对所述当前采样周期的增益档位。

优选地，选择针对所述当前采样周期的增益档位包括：针对在所述上一采样周期输出的信号强度，确定增益窗的位置；在所述增益窗中的信号强度 的最大值大于或等于预设的第一阈值、且在所述具有固定步长的多个增益档位中存在比在所述上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位的情况下，将比在所述上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位选为针对所述当前采样周期的增益档位；在所述增益窗中的信号强度的最大值小于或等于预设的第二阈值、且在所述具有固定步长的多个增益档位中存在比在所述上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位的情况下，将比在所述上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位选为针对所述当前采样周期的增益档位；以及在所述增益窗中的信号强度的最大值大于所述第二阈值、且小于所述第一阈值的情况下，将在所述上一采样周期输出的增益档位选为针对所述当前采样周期的增益档位，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

本发明还提供一种声波信号放大装置。该装置包括：采集模块，配置为在当前采样周期内，采集一声波信号；选择模块，配置为在预设的、具有固定步长的多个增益档位中选择针对所述当前采样周期的一增益档位；增益档位确定模块，配置为从一不固定步长增益电路提供的、具有不固定步长的多个增益档位中确定与所选择的增益档位对应的增益档位；发送模块，配置为将所述声波信号和用于表示所确定的增益档位的信息发送至所述不固定步长增益电路，以由所述不固定步长增益电路根据所确定的增益档位对所述声波信号进行放大，并输出放大后的声波信号的信号强度；接收模块，配置为接收所述不固定步长增益电路输出的所述放大后的声波信号的信号强度；信号强度确定模块，配置为根据所确定的增益档位、所述放大后的声波信号的信号强度、以及所选择的增益档位确定与所选择的增益档位对应的所述声波信号的信号强度；以及输出模块，配置为输出所选择的增益档位与所确定的信号强度。

通过上述技术方案，能够利用不固定步长增益电路对声波信号进行放大， 同时保证输出的增益档位和声波信号的信号强度能够与常规的声波信号处理系统相兼容。由于不固定步长增益电路比固定步长的常规声波增益电路在硬件设计上更加简单，因此，能够降低增益电路的设计难度。另外，通过本发明提供的声波信号放大方法和装置，在所需的增益档位发生变化的情况下，也可以不用更改增益电路的硬件部分，只需调整相应的软件部分即可，通用性强。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一实施方式提供的声波信号放大方法的步骤示意图；

图2a和图2b是本发明的一实施方式提供的不固定步长增益电路的电路图；

图3是本发明的一实施方式提供的选择针对当前采样周期的增益档位的流程图；

图4是本发明的一实施方式提供的声波信号放大装置的结构框图；以及

图5是本发明的一实施方式提供的选择模块的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明的一实施方式提供的声波信号放大方法的步骤示意图。如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S101，在当前采样周期内，采集一声波信号。

步骤S102，在预设的、具有固定步长的多个增益档位中选择针对当前采样周期的一增益档位。

在目前普遍应用的常规声波增益电路中，通过硬件上的增益转换可以获得例如24档的增益，并且两个相邻的档位之间的步长是固定的，例如3dB。也正是由于将步长设置为是固定的，因此，常规声波增益电路在硬件设计上难度较大。本发明中具有固定步长的多个增益档位可以由常规声波增益电路提供。下文中所描述的具有不固定步长的多个增益档位由不固定步长增益电路提供。

其中，选择针对当前采样周期的增益档位例如可以采用人工手动选择的方法，所选择的增益档位可以认为是期望输出以该增益档位进行放大的声波信号。

步骤S103，从一不固定步长增益电路提供的、具有不固定步长的多个增益档位中确定与所选择的增益档位对应的增益档位。

该步骤S103中，可以预先布置对声波信号进行放大的不固定步长增益电路，由该不固定步长增益电路提供上述具有不固定步长的多个增益档位。本发明中的不固定步长增益电路包括任何能够提供不固定步长的多个增益档位的增益电路。例如，该不固定步长增益电路可以为级联电路。

图2a和图2b是本发明的一实施方式提供的不固定步长增益电路的电路图。如图2a和图2b所示，该不固定步长增益电路分两级，第一级(图2a所示)共8个档位，第二级(图2b所示)共2个档位，两级电路级联获得16(8×2)个增益档位。其中，每一级电路的基本电路为反相放大器，借助模拟开关切换接入该反相放大器的反馈电阻，实现增益切换。

如图2a和图2b所示，该不固定步长增益电路中，模拟开关的控制由FPGA(现场可编程门阵列)完成。FPGA输出4条并行控制线 “FPGA_AMP_P1_CTRx”(x＝0、1、2、3)至模拟开关的控制端(A0、A1、A2)。FPGA通过并行通信的方式对模拟开关进行控制，从而连通不同的反馈电阻，使得该不固定步长增益电路提供不同的增益档位。如上所述，该不固定步长增益电路提供不固定步长的增益档位，其电路结构在硬件设计上较常规声波增益电路更简单。

在该步骤S103的确定与所选择的增益档位对应的增益档位的一实施方式中，可以为以下中的任意一者：

将具有不固定步长的多个增益档位中，不大于所选择的增益档位的增益档位中的最大增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；将具有不固定步长的多个增益档位中，不小于所选择的增益档位的增益档位中的最小增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；或者，将具有不固定步长的多个增益档位中，与所选择的增益档位最接近的增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位。

举例来说，在常规声波增益电路中，该增益档位用G_AX(X＝0、1、2、……、23)表示。两个相邻的增益档位之间的步长固定为3dB，该具有固定步长的多个增益档位的增益范围为0～69dB。

不固定步长增益电路以图2a和图2b所示的实施方式为例，该不固定步长增益电路中设置有16个增益档位，该增益档位用G_BY(Y＝0、1、2、……、15)表示。两个相邻的增益档位之间的步长不固定。例如，这16个增益档位分别为：0，4.2dB，8.6dB，13.6dB，17.7dB，22.5dB，……，77.5dB。其步长分别为：4.2dB，4.4dB，5.0dB，4.1dB，4.8dB，……。该具有不固定步长的多个增益档位的增益范围为0～77.5dB。

例如，在所选择的增益档位为G_A6＝18dB的情况下：

(1)在上述具有不固定步长的多个增益档位中，可以查找到不大于该所选择的增益档位(18dB)的增益档位有0，4.2dB，8.6dB，13.6dB，和17.7dB。 在这些增益档位中找到最大值17.7dB(G_B4)，可以将该最大值17.7dB确定为与所选择的增益档位对应的增益档位。或者，

(2)在上述具有不固定步长的多个增益档位中，可以查找到不小于该所选择的增益档位(18dB)的增益档位有22.5dB，……，77.5dB。在这些增益档位中找到最小值22.5dB(G_B5)，可以将该最小值22.5dB确定为与所选择的增益档位对应的增益档位。或者，

(3)在上述具有不固定步长的多个增益档位中，可以查找到最接近(在本发明中，最接近是指在数值上最接近)于所选择的增益档位(18dB)的增益档位为17.7dB。可以将17.7dB确定为与所选择的增益档位对应的增益档位。

优选情况下，具有固定步长的多个增益档位形成的增益范围可以包括在具有不固定步长的多个增益档位形成的增益范围内，从而减小误差。例如，上述实施方式中，具有不固定步长的增益档位的增益范围(77.5dB)大于具有固定步长的增益档位的增益范围(69dB)。

步骤S104，将声波信号和用于表示所确定的增益档位的信息发送至不固定步长增益电路，以由不固定步长增益电路根据所确定的增益档位对声波信号进行放大，并输出放大后的声波信号的信号强度。

例如，在不固定步长增益电路中，可以将接收到的声波信号根据所确定的增益档位放大，通过带通滤波器进入后级电路，在该后级电路中对放大后的声波信号进行AD转换，生成放大后的声波信号的信号强度，其具体实施方式为本领域技术人员所熟知，此处不再详细描述。

步骤S105，接收不固定步长增益电路输出的放大后的声波信号的信号强度。

步骤S106，根据所确定的增益档位、放大后的声波信号的信号强度、以及所选择的增益档位确定与所选择的增益档位对应的声波信号的信号强 度。

在步骤S106的一实施方式中，由于声波的原始信号V₀可以表示为

$V_0=\frac{V_{AX}}{G_{AX}}---\left(1\right)$

或$V_0=\frac{V_{BY}}{G_{BY}}---\left(2\right)$

其中，V_AX为所确定的信号强度，V_BY为放大后的声波信号的信号强度，G_AX为所选择的增益档位，G_BY为所确定的增益档位。因此，结合公式(1)和(2)，所确定的信号强度可以通过以下方式确定：

$V_{AX}=V_{BY}\·\frac{G_{AX}}{G_{BY}}---\left(3\right)$

步骤S107，输出所选择的增益档位与所确定的信号强度。

至此，本发明的声波信号放大方法输出了固定步长的增益及其对应的声波信号强度，由于应用了硬件结构设计相对简单的不固定步长的增益电路，因此降低了设计难度。

另外，由于声波信号的接收是一个持续的过程。随着声波信号的强度变化，在当前采样周期内所选择的增益档位有可能在下一个采样周期内使输出的声波信号过大或过小。而且，有可能在当前采样周期中就已经不合适。因此，可以在接下来的每个采样周期中，自动地选择合适的增益档位，将输出的声波信号强度调整在一个合理的范围内。

优选情况下，步骤S102中，可以根据在上一采样周期输出的增益档位来选择针对当前采样周期的增益档位。

图3是本发明的一实施方式提供的选择针对当前采样周期的增益档位的流程图。在图3所示的实施方式中，选择针对当前采样周期的增益档位可以包括：

首先，针对在上一采样周期输出的信号强度，确定增益窗的位置。通常， 可以在输出的声波波形图中设置一增益窗，并调节该增益窗的位置，使得负首波的波谷始终处于该增益窗口的中间。

然后，在增益窗中的信号强度的最大值大于或等于预设的第一阈值、且在具有固定步长的多个增益档位中存在比在上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位的情况下，将比在上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位；

在增益窗中的信号强度的最大值小于或等于预设的第二阈值、且在具有固定步长的多个增益档位中存在比在上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位的情况下，将比在上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位；以及

在增益窗中的信号强度的最大值大于第二阈值、且小于第一阈值的情况下，将在上一采样周期输出的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位。其中，第一阈值大于第二阈值。

增益窗中的信号强度的最大值也就是增益窗中声波波形的峰值。该信号强度的最大值大于或等于第一阈值，可以认为声波信号被过于放大，而该信号强度的最大值小于或等于第二阈值，可以认为声波信号被放大的倍数还不够，都不利于对波形的研究。该第一阈值和第二阈值可以根据对声波波形研究的需要以及增益窗的大小来设置。

这样，在持续进行的声波输出中，可以自动地选择增益档位来生成理想的波形，将输出的声波信号的信号强度调整在一个合理的范围内。

在相关技术中，常规声波增益电路可以提供具有固定步长的多个增益档位。选择其中的一个档位，可以由常规声波增益电路直接对声波信号进行放大，并由该常规声波增益电路输出所选择的增益档位和放大后的声波信号的信号强度，以供常规的声波信号处理系统使用。在本发明中，不使用常规声波增益电路，而是通过不固定步长增益电路对声波信号进行放大，经运算后 输出该步骤S102中所选择的增益档位及其对应的信号强度。本发明的声波信号放大方法输出固定步长的增益档位，因此，输出的结果能够由常规的声波信号处理系统直接应用，从而与常规的声波信号处理系统相兼容。由于不固定步长增益电路比固定步长的常规声波增益电路在硬件设计上更加简单，因此，能够降低增益电路的设计难度。另外，通过本发明提供的声波信号放大方法，在所需的增益档位发生变化的情况下，也可以不用更改增益电路的硬件部分，只需调整相应的软件部分即可，通用性强。

本发明还提供一种声波信号放大装置。图4是本发明的一实施方式提供的声波信号放大装置的结构框图。如图4所示，该声波信号放大装置10可以包括：采集模块100、选择模块200、增益档位确定模块300、发送模块400、接收模块500、信号强度确定模块600和输出模块700。其中，采集模块100可以配置为在当前采样周期内，采集一声波信号。选择模块200可以配置为在预设的、具有固定步长的多个增益档位中选择针对当前采样周期的一增益档位。增益档位确定模块300可以配置为从一不固定步长增益电路20提供的、具有不固定步长的多个增益档位中确定与所选择的增益档位对应的增益档位。发送模块400被配置为将声波信号和用于表示所确定的增益档位的信息发送至不固定步长增益电路，以由不固定步长增益电路20根据所确定的增益档位对声波信号进行放大，并输出放大后的声波信号的信号强度。接收模块500可以配置为接收不固定步长增益电路20输出的放大后的声波信号的信号强度。信号强度确定模块600可以配置为根据所确定的增益档位、放大后的声波信号的信号强度、以及所选择的增益档位确定与所选择的增益档位对应的声波信号的信号强度。输出模块700可以配置为输出所选择的增益档位与所确定的信号强度。

优选情况下，增益档位确定模块300按照以下中的任意一种方式进行配置：将所述具有不固定步长的多个增益档位中，不大于所选择的增益档位的 增益档位中的最大增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；将所述具有不固定步长的多个增益档位中，不小于所选择的增益档位的增益档位中的最小增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位；或者，将所述具有不固定步长的多个增益档位中，与所选择的增益档位最接近的增益档位作为与所选择的增益档位对应的增益档位。

优选情况下，具有固定步长的多个增益档位形成的增益范围包括在具有不固定步长的多个增益档位形成的增益范围内。

优选情况下，信号强度确定模块600可以通过以下方式确定与所选择的增益档位对应的声波信号的信号强度：其中，V_AX为所确定的信号强度，V_BY为放大后的声波信号的信号强度，G_AX为所选择的增益档位，G_BY为所确定的增益档位。

优选情况下，选择模块200可以配置为根据在上一采样周期输出的增益档位来选择针对当前采样周期的增益档位。

图5是本发明的一实施方式提供的选择模块200的结构框图。在图5所示的实施方式中，选择模块200可以包括：增益窗确定子模块2001，用于针对在上一采样周期输出的信号强度，确定增益窗的位置；第一选择子模块2002，用于在增益窗中的信号强度的最大值大于或等于预设的第一阈值、且在具有固定步长的多个增益档位中存在比在上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位的情况下，将比在上一采样周期输出的增益档位低一个档位的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位；第二选择子模块2003，用于在增益窗中的信号强度的最大值小于或等于预设的第二阈值、且在具有固定步长的多个增益档位中存在比在上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位的情况下，将比在上一采样周期输出的增益档位高一个档位的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位；第三选择子模块2004，用于在增益窗中的信号强度的最大值大于第二阈值、且小于第一阈值的情况下， 将在上一采样周期输出的增益档位选为针对当前采样周期的增益档位，其中，第一阈值大于第二阈值。

本发明的声波信号放大装置对应于本发明的声波信号放大方法，因此相同的内容不再赘述。

通过上述技术方案，能够利用不固定步长增益电路对声波信号进行放大，同时保证输出的增益档位和声波信号的信号强度能够与常规的声波信号处理系统相兼容。由于不固定步长增益电路比固定步长的常规声波增益电路在硬件设计上更加简单，因此，能够降低增益电路的设计难度。另外，通过本发明提供的声波信号放大装置，在所需的增益档位发生变化的情况下，也可以不用更改增益电路的硬件部分，只需调整相应的软件部分即可，通用性强。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本发明的实施方式可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。