专利名称：一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及地下资源钻采工程技术领域，尤其涉及一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置。
背景技术：
在石油、天然气和煤层气开采中，双水平井、连通井、U形井以及多分支井等复杂结构井的钻进都要求精确探测井间相对距离和方位信息，以使相邻两口井连通或按设计轨迹钻进。目前国外公司研制的井间测距仪器主要有旋转磁场井间测距系统RMRS (RotatingMagnet Ranging System)和磁场定位导向工具 MGT (Magnetic Guidance Tool)两种。旋转磁场井间测距系统RMRS中，以安装在正钻井中钻头后方的磁短节作为交变磁场发生器，位于邻井中的X、Y、Z三轴传感器接收磁场信号，据此计算出井间距离和方位信息。接收的RMRS磁场信号具有三个特点一是信号微弱，信号幅度随传播距离的三次方急速衰减；二是信号为频变信号，其频率随着钻头转速的改变而变化；三是信号中含有大量干扰和噪声。因此含有噪声的频变的磁场信号的准确提取是实现精确测距导向的一个关键问题。
发明内容
本发明实施例提供一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置，以从噪声背景下提取出频变的磁场信号，为实现井间距离的精确测量奠定基础。一方面，本发明实施例提供了一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，所述方法包括将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。可选的，在本发明一实施例中，所述将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。可选的，在本发明一实施例中，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重 构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。另一方面，本发明实施例提供了一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，所述装置包括去直流处理单元，用于将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定单元，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；DFT单元，用于将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；搜索单元，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；重构信号单元，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；恢复单元，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。可选的，在本发明一实施例中，所述去直流处理单元，进一步用于将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。可选的，在本发明一实施例中，所述确定单元，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。可选的，在本发明一实施例中，所述重构信号单元，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。可选的，在本发明一实施例中，所述重构信号单元，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。
上述技术方案具有如下有益效果因为采用将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号的技术手段，所以具有如下技术效果在噪声背景下通过重构出频变的RMRS信号来实现消噪，并且该方案实现了 RMRS信号的高精确度实时提取，能够大幅度提高旋转磁场井间随钻测距的精度，确保复杂结构井轨迹的精确导向、准确中靶。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法流程图；图2为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置结构示意图；图3(a)为本发明应用实例由计算机产生的纯净的正弦信号示意图；图3 (b)为本发明应用实例图3 (a)信号的DFT幅度谱示意图；图3(c)为采用本发明应用实例方法进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图3(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图4(a)为本发明应用实例由计算机产生的含白噪声的正弦信号示意图；图4(b)为本发明应用实例图4(a)信号的DFT幅度谱示意图；图4(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图4(d)为本发明应用实例未进行频率重构而进行消噪后恢复的正弦信号的时域波形示意图；图5 (a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图；图5 (b)为本发明应用实例图5 (a)信号的DFT幅度谱示意图；图5(c)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形示意图；图6 (a)为本发明应用实例RMRS三轴传感器接收信号的原始波形示意图；图6 (b)为本发明应用实例图6 (a)信号的DFT幅度谱示意图；图6 (C)为采用本发明应用实例方法消噪后恢复的RMRS信号的时域波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图I所示，为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法流程图，所述方法包括101、将旋转磁场测距系统(RMRS,Rotary Magnetic Ranging System)信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；102、确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；
103、将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换(DFT，Discrete DirectFouriet Transformer),获取信号幅度谱；104、在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；105、根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；106、利用所述真实频率和所述真实幅度,恢复消噪后RMRS /[目号的时域彳目号。可选的，所述将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。可选的，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。可选的，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。可选的，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。对应于上述方法实施例，如图2所示，为本发明实施例一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置结构示意图，所述装置包括去直流处理单元21，用于将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定单元22，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率;
DFT单元23，用于将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱；
搜索单元24，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号；重构信号单元25，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；恢复单元26，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。可选的，所述去直流处理单元21，进一步用于将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。可选的，所述确定单元22，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。可选的，所述重构信号单元25，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。可选的，所述重构信号单元25，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。综上所述，本发明实施例设计的基于DFT的具有频率重构特性的信号消噪方法，通过在上、下限数字截止频率之间搜索RMRS信号幅度谱的最大值和次最大值以及它们所对应的频率序号值，重构信号的真实频率和真实幅度，有效地滤除了有用信号频率以外的干扰和噪声，实现了 RMRS信号的高精度实时提取，能够大幅度提高旋转磁场井间随钻测距的精度，确保复杂结构井钻井轨迹的精确导向、准确中靶。以下结合具体应用实例对本发明实施例的上述流程步骤101-步骤106(分别对应下述步骤I-步骤6)进行详述。本发明实施例的基于DFT的具有频率重构特性的信号消噪方法，能够实时精确的提取RMRS信号，通过如下步骤实现步骤I :对RMRS信号进行去直流处理，假设X (n)为一 RMRS接收信号的N点采样值，计算X (n)的均值，即直流分量
— ]'N IX = —^x(/7)
^ n=Q将5从x(n)中去除X^(II) = X(Il) -X得到去直流后的RMRS信号X。(n)；步骤2 :根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率fha、下限截止频率fla。假设Fs为RMRS信号的采样频率，则上、下限数字截止频率分别为
fhd = fha/Fsfld = fla/Fs步骤3 :对去直流的RMRS信号做DFT，得到X (k)，再计算信号的幅度谱\ (k)；
权利要求
1.一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述方法包括 将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号； 确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率； 将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱； 在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号； 根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度； 利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。
2.如权利要求I所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号，包括 将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。
3.如权利要求I所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率，包括 根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率； 根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。
4.如权利要求I所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度，包括 根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率； 根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。
5.如权利要求4所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法，其特征在于，所述根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率，包括 根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。
6.一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，所述装置包括 去直流处理单元，用于将旋转磁场测距系统RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号； 确定单元，用于确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率； DFT单元，用于将所述去直流后的RMRS信号进行离散傅里叶变换DFT，获取信号幅度谱； 搜索单元，用于在所述上限数字截止频率和所述下限数字截止频率之间搜索所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及与所述信号幅度谱的最大值所对应频率的序号相邻的次最大值和所述次最大值所对应频率的序号； 重构信号单元，用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度； 恢复单元，用于利用所述真实频率和所述真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。
7.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于， 所述去直流处理单元，进一步用于将旋转磁场测距系统RMRS三轴传感器接收的信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号。
8.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于， 所述确定单元，进一步用于根据钻头转速变化范围，确定磁场信号频率变化的上限截止频率和下限截止频率；根据所述RMRS信号的采样频率，所述上限截止频率和所述下限截止频率，获取磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率。
9.如权利要求6所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于，所述重构信号单元，进一步用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率；根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述真实频率，重构信号的真实幅度。
10.如权利要求9所述用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪装置，其特征在于， 所述重构信号单元，具体用于根据所述信号幅度谱的最大值和所述最大值所对应频率的序号，及所述次最大值和所述次最大值所对应频率的序号，并利用牛顿迭代公式，重构信号的真实频率。
全文摘要
本发明实施例提供一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置，该方法包括将RMRS信号进行去直流处理，获取去直流后的RMRS信号；确定磁场信号频率变化的上限数字截止频率和下限数字截止频率；将去直流后的RMRS信号进行DFT，获取信号幅度谱；在上限数字截止频率和下限数字截止频率之间搜索信号幅度谱的最大值和最大值所对应频率的序号，及相邻的次最大值和次最大值所对应频率的序号；根据信号幅度谱的最大值和最大值所对应频率的序号，及次最大值和次最大值所对应频率的序号，重构信号的真实频率和真实幅度；利用真实频率和真实幅度，恢复消噪后RMRS信号的时域信号。本发明实施例可从噪声背景下提取出频变的磁场信号，为实现井间距离的精确测量奠定基础。
文档编号E21B47/12GK102704919SQ20121016502
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者梁华庆, 耿敏 申请人:中国石油大学(北京)