用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法与流程

本发明属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法。

背景技术：

石油钻井领域中，智能钻井工具通过井下测量单元对井底压力、环空压力、钻压、温度、扭矩等工程参数进行实时测量和处理，用于进行井下工况分析、工具故障分析、优化钻具组合、指导正常钻进。由于钻进过程中伴随着钻头与井底的冲击振动、钻柱与井壁的碰撞、井下多种钻井液体系及高温、高压环境的存在，采集到的信号幅值小、包含较大的噪声和失真，严重时存在丢帧和无法读取的问题，常规的无源或有源滤波方式均无法保证较好的滤波效果，对后期的信号处理、分析决策带来困难。

因此，研究一种用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法，首先由无源滤波方式滤除小信号中存在的大噪声信号，然后对信号进行放大后，再采用有源滤波方式进行精确滤波，通过无源、放大、有源混合滤波的方式实现信号的去噪，保证后期信号处理、分析决策的顺利进行。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法，实现井下工程参数测量数据的去噪声处理。

为了达到上述目的，本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路包括：井下测量单元、混合滤波单元、后期处理单元、电源管理单元，其中：井下测量单元通过混合滤波单元与后期处理单元连接，电源管理单元分别与井下测量单元、混合滤波单元、后期处理单元连接；所述井下测量单元用于井底压力、环空压力、钻压、温度、扭矩在内的工程参数的实时测量，混合滤波单元200用于滤除所述井下测量单元输出的测量数据中包含的噪声信号，所述后期处理单元用于对所述混合滤波单元输出的滤波后的信号进行后续处理，包括放大、模/数、数/模转换、数据分析处理操作，所述电源管理单元用于为整个电路提供稳定的直流电能。

所述混合滤波单元包括，无源滤波电路、信号放大电路、有源滤波电路，其中：无源滤波电路通过信号放大电路与有源滤波电路连接，井下测量单元与无源滤波电路连接，有源滤波电路与后期处理单元连接；所述无源滤波电路对所述井下测量单元输出的测量信号进行处理，粗略滤除其中存在的高频、大噪声信号，所述信号放大电路用于对无源滤波电路2001输出的滤波信号进行一定倍数的放大操作，便于对信号的进一步滤波处理，所述有源滤波电路用于对所述信号放大电路输出的放大信号进行精确滤波，保留有用频段信息。

所述无源滤波电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1、第二电容c2，第二电阻r2与第一电容c1组成第一低通无源滤波网络，第三电阻r3与第二电容c2组成第二低通无源滤波网络，第一电阻r1一端连接所述井下测量单元100输出信号的正信号端vin+，另一端连接第一二极管d1的正极，第一二极管d1的负极连接所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-，第二二极管d2与第一二极管d1反向并联，第一二极管d1的正极连接第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端同时连接第一电容c1的一端和第三电阻的一端，第一电容c1的另一端连接所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-，第三电阻r3的另一端为无源滤波电路2001的正信号输出端，与第三电容c3的一端连接，第三电容c3的另一端为无源滤波电路2001的负信号输出端，与所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-连接。

所述信号放大电路包括第一运算放大器u1及其外围电路、第二运算放大器u2及其外围电路，其中，所述第一运算放大器u1选用仪表放大器芯片ina333，所述第一运算放大器u1的正信号输入引脚+in连接所述无源滤波电路2001的正信号输出端，所述第一运算放大器u1的负信号输入引脚-in连接无源滤波电路2001的负信号输出端，第三电容c3的一端连接所述第一运算放大器u1的负信号输入引脚-in，另一端接地，所述第一运算放大器u1的电源正引脚v+连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第一运算放大器u1的电源负引脚v-接地，第四电容c4一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，第四电阻r4一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接第五电阻r5的一端，第五电阻r5的另一端接地，所述第一运算放大器u1的引脚r1和引脚r2用于通过外接电阻设定放大倍数，其分别与第一可调电阻rw的两端连接，所述第一运算放大器u1的ref端为参考电压输入引脚，所述第一运算放大器u1的out引脚为输出引脚，所述第二运算放大器u2选用ti公司的运算放大器芯片opa333，设计为跟随器结构，用于隔离电源端干扰，所述第二运算放大器u2的电源正引脚v+连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第二运算放大器u2的电源负引脚v-接地，所述第二运算放大器u2的输入信号正极引脚+in连接第四电阻r4与第五电阻r5的连接端，所述第二运算放大器u2的输入信号负极引脚-in连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，所述第二运算放大器u2的out引脚为输出引脚，连接所述第一运算放大器u1的参考电压输入引脚ref。

所述有源滤波电路包括第三运算放大器u3及其外围电路和第四运算放大器u4及其外围电路，其中，第三运算放大器u3和第四运算放大器u4均选用ada4896运算放大器，均设计为二阶有源滤波网络，两运算放大器输入端口均设计为差分信号输入，用于提高输入端的抗干扰性，利于小信号的后期提取与处理，所述第三运算放大器u3的电源正引脚+vs连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第三运算放大器u3的电源负引脚-vs接地，第五电容c5一端连接所述第三运算放大器u3的电源正引脚+vs，另一端接地，所述第三运算放大器u3的信号正极输入引脚+in1连接第六电容c6的一端，第六电容c6的另一端连接第六电阻r6的一端，第六电阻r6的另一端连接所述第一运算放大器u1的输出引脚out，所述第七电容c7的一端连接第六电阻r6的一端，另一端连接第七电阻r7的一端，第七电阻r7的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第三运算放大器u3的信号负极输入引脚-in1，第八电阻r8的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，第九电阻r9的一端连接所述第三运算放大器u3的信号正极输入引脚+in1，另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，所述第四运算放大器u4的电源正引脚+vs连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第四运算放大器u4的电源负引脚-vs接地，第十电容c10一端连接所述第四运算放大器u4的电源正引脚+vs，另一端接地，所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1连接第八电容c8的一端，第八电容c8的另一端连接第十电阻r10的一端，第十电阻r10的另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，所述第十一电阻r11的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第四运算放大器u4的信号负极输入引脚-in1，所述第十二电阻r12的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1，所述第九电容c9的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接第八电容c8和第十电阻r10的连接端，第十三电阻r13的一端连接所述第四运算放大器u4的信号负极输入引脚-in1，另一端连接所述第四运算放大器u4的输出引脚out1，第十四电阻r14的一端连接所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1，另一端连接所述第四运算放大器u4的输出引脚out1，所述第四运算放大器u4的out1引脚为所述混合滤波单元200的输出引脚，输出信号vout。

本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波方法包括按顺序进行的下列步骤：

a001：井下测量单元对所在位置附近的压力、温度、扭矩等信息进行实时测量。

a002：无源滤波电路作为第一级滤波网络，采用二阶无源低通滤波方式滤除测量信号中存在的高频噪声和干扰。

a003：信号放大电路对无源滤波电路输出的信号进行一定倍数的放大以便于进行更加精确的滤波操作。

a004：有源滤波电路作为第二级滤波网络，采用二阶有源滤波方式对放大后的信号进行精确滤波操作，保留有用频段信息。

a005：后期处理单元对滤波后的信号进行转换、解释、存储，根据信号中包含的控制信息执行对应的操作。

本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法首先由无源滤波方式滤除微弱小信号中存在的高频、大噪声，然后对信号进行一定倍数的放大，再采用二阶有源滤波网络进行精确频段滤波，通过“无源-放大-有源”混合滤波的方式实现信号的去噪，保证后期信号处理、分析决策的顺利进行，与常规滤波方式相比，提高了井下测量数据的精度、准确率、抗干扰性。

附图说明

图1为本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路结构框图；

图2为本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路的多级混合滤波电路结构图；

图3为本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路的多级混合滤波方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路及方法进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波电路包括：

井下测量单元100、混合滤波单元200、后期处理单元300、电源管理单元400，其中：井下测量单元100通过混合滤波单元200与后期处理单元300连接，电源管理单元400分别与井下测量单元100、混合滤波单元200、后期处理单元300连接；所述井下测量单元100用于井底压力、环空压力、钻压、温度、扭矩等工程参数的实时测量，混合滤波单元200用于滤除所述井下测量单元100输出的测量数据中包含的噪声信号，所述后期处理单元300用于对所述混合滤波单元200输出的滤波后的信号进行后续处理，包括放大、模/数、数/模转换、数据分析处理等操作，所述电源管理单元400用于为整个电路提供稳定的直流电能。

进一步的，所述混合滤波单元200包括，无源滤波电路2001、信号放大电路2002、有源滤波电路2003，其中：无源滤波电路2001通过信号放大电路2002与有源滤波电路2003连接，井下测量单元100与无源滤波电路2001连接，有源滤波电路2003与后期处理单元300连接；所述无源滤波电路2001对所述井下测量单元100输出的测量信号进行处理，粗略滤除其中存在的高频、大噪声信号，所述信号放大电路2002用于对无源滤波电路2001输出的滤波信号进行一定倍数的放大操作，便于对信号的进一步滤波处理，所述有源滤波电路2003用于对所述信号放大电路2002输出的放大信号进行精确滤波，保留有用频段信息。

如图2所示，所述无源滤波电路2001包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1、第二电容c2，第二电阻r2与第一电容c1组成第一低通无源滤波网络，第三电阻r3与第二电容c2组成第二低通无源滤波网络，第一电阻r1一端连接所述井下测量单元100输出信号的正信号端vin+，另一端连接第一二极管d1的正极，第一二极管d1的负极连接所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-，第二二极管d2与第一二极管d1反向并联，第一二极管d1的正极连接第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端同时连接第一电容c1的一端和第三电阻的一端，第一电容c1的另一端连接所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-，第三电阻r3的另一端为无源滤波电路2001的正信号输出端，与第三电容c3的一端连接，第三电容c3的另一端为无源滤波电路2001的负信号输出端，与所述井下测量单元100输出信号的负信号端vin-连接。

所述信号放大电路2002包括第一运算放大器u1及其外围电路、第二运算放大器u2及其外围电路，其中，所述第一运算放大器u1选用ti公司的仪表放大器芯片ina333，所述第一运算放大器u1的正信号输入引脚+in连接所述无源滤波电路2001的正信号输出端，所述第一运算放大器u1的负信号输入引脚-in连接无源滤波电路2001的负信号输出端，第三电容c3的一端连接所述第一运算放大器u1的负信号输入引脚-in，另一端接地，所述第一运算放大器u1的电源正引脚v+连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第一运算放大器u1的电源负引脚v-接地，第四电容c4一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端接地，第四电阻r4一端连接直流3.3v电源vdd3.3，另一端连接第五电阻r5的一端，第五电阻r5的另一端接地，所述第一运算放大器u1的引脚r1和引脚r2用于通过外接电阻设定放大倍数，其分别与第一可调电阻rw的两端连接，所述第一运算放大器u1的ref端为参考电压输入引脚，所述第一运算放大器u1的out引脚为输出引脚，所述第二运算放大器u2选用ti公司的运算放大器芯片opa333，设计为跟随器结构，用于隔离电源端干扰，所述第二运算放大器u2的电源正引脚v+连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第二运算放大器u2的电源负引脚v-接地，所述第二运算放大器u2的输入信号正极引脚+in连接第四电阻r4与第五电阻r5的连接端，所述第二运算放大器u2的输入信号负极引脚-in连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，所述第二运算放大器u2的out引脚为输出引脚，连接所述第一运算放大器u1的参考电压输入引脚ref。

所述有源滤波电路2003包括第三运算放大器u3及其外围电路和第四运算放大器u4及其外围电路，其中，第三运算放大器u3和第四运算放大器u4均选用ad公司的ada4896运算放大器，均设计为二阶有源滤波网络，两运算放大器输入端口均设计为差分信号输入，用于提高输入端的抗干扰性，利于小信号的后期提取与处理，所述第三运算放大器u3的电源正引脚+vs连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第三运算放大器u3的电源负引脚-vs接地，第五电容c5一端连接所述第三运算放大器u3的电源正引脚+vs，另一端接地，所述第三运算放大器u3的信号正极输入引脚+in1连接第六电容c6的一端，第六电容c6的另一端连接第六电阻r6的一端，第六电阻r6的另一端连接所述第一运算放大器u1的输出引脚out，所述第七电容c7的一端连接第六电阻r6的一端，另一端连接第七电阻r7的一端，第七电阻r7的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第三运算放大器u3的信号负极输入引脚-in1，第八电阻r8的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，第九电阻r9的一端连接所述第三运算放大器u3的信号正极输入引脚+in1，另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，所述第四运算放大器u4的电源正引脚+vs连接直流3.3v电源vdd3.3，所述第四运算放大器u4的电源负引脚-vs接地，第十电容c10一端连接所述第四运算放大器u4的电源正引脚+vs，另一端接地，所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1连接第八电容c8的一端，第八电容c8的另一端连接第十电阻r10的一端，第十电阻r10的另一端连接所述第三运算放大器u3的输出引脚out1，所述第十一电阻r11的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第四运算放大器u4的信号负极输入引脚-in1，所述第十二电阻r12的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1，所述第九电容c9的一端连接所述第二运算放大器u2的输出引脚out，另一端连接第八电容c8和第十电阻r10的连接端，第十三电阻r13的一端连接所述第四运算放大器u4的信号负极输入引脚-in1，另一端连接所述第四运算放大器u4的输出引脚out1，第十四电阻r14的一端连接所述第四运算放大器u4的信号正极输入引脚+in1，另一端连接所述第四运算放大器u4的输出引脚out1，所述第四运算放大器u4的out1引脚为所述混合滤波单元200的输出引脚，输出信号vout。

本发明提供的用于井下工程参数测量信号的多级混合滤波方法包括按顺序进行的下列步骤：

a001：井下测量单元100对所在位置附近的压力、温度、扭矩等信息进行实时测量。

a002：无源滤波电路2001作为第一级滤波网络，采用二阶无源低通滤波方式滤除测量信号中存在的高频噪声和干扰。

a003：信号放大电路2002对无源滤波电路2001输出的信号进行一定倍数的放大以便于进行更加精确的滤波操作。

a004：有源滤波电路2003作为第二级滤波网络，采用二阶有源滤波方式对放大后的信号进行精确滤波操作，保留有用频段信息。

a005：后期处理单元300对滤波后的信号进行转换、解释、存储，根据信号中包含的控制信息执行对应的操作。

井下测量单元100测量得到的各项数据，首先送入混合滤波单元200中的无源滤波电路2001中进行粗略处理，滤除高频、大噪声，然后对滤波后的信号由信号放大电路2002进行放大处理，再由有源滤波电路2003中的两组二阶有源滤波网络进行精确滤波，以获得后期处理单元300可处理和识别的信号，用于井下工况的分析、判断及工具诊断，从而指导钻进。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。