基于陷波算法的泥浆脉冲解码方法与流程

本发明属于钻井工程领域，尤其是涉及一种基于陷波算法的泥浆脉冲解码方法。

背景技术：

井下泥浆脉冲解码方法包括以下步骤：(一)滤波方式：在以泥浆为介质的无线随钻测量系统中，井下信息以泥浆压力信号的方式传输到地面，地面系统再对这些信号进行分析与处理，最终获取施工所需的定向数据、地层信息和钻井参数等各种信息。由于现场钻井高温、高压、强震动、长距离传输等因素的影响，井口泥浆压力传感器检测到的信号既包括原始的脉冲序列信号，也夹杂着各种机械震动引起的大量高强度的噪声信号。随着钻井深度的增加，信号衰减增大，检测到的信号变弱，这直接影响信号恢复结果的正确性及可靠性，因此泥浆脉冲信号的去噪问题对于最终脉冲解码极为关键。

从压力传感器采集的原始信号中包含了有用信号及幅度较大的低频分量噪声和高频分量噪声：有用信号频率主要集中在1hz～3hz；低频分量噪声信号的频率为0hz～0.1hz，在此频率范围内，噪声幅度大于信号幅度；高频噪声幅度无规律，但泵冲噪声呈谐波特性变化，噪声强度大且分布较宽，干扰信号频率主要集中在0hz～8hz。噪声及干扰的主要来源是泵冲噪声和振动噪声。在钻井测量系统中，泵冲噪声由一个或多个泵产生，它具有周期性，而且比传输信号具有更高的能量。此外由于泵冲噪声幅度可能会发生变化，其频谱值通常会“延伸”至信号频谱范围。目前随钻测量系统中对泥浆脉冲信号常用的处理方法有：基于傅里叶变换的去噪方法，适用于平稳信号，不能有效区分信号的高频部分和噪声的高频部分，对频率随时间变化的非平稳信号处理效果不好；fir滤波方法，fir滤波器系统稳定且具有严格的线性相位，实时性好。但这两种去噪方法在处理泥浆脉冲信号时可能丢失部分有用信号。(二)编解码方式：泥浆正脉冲一般都是采用时阈的编码方式，且在解码时没有校验功能，容易产生误解码。不能有效的提高传输效率。

技术实现要素：

本发明的目的是根据泥浆压力脉冲信号的特点，提出一种基于陷波算法的泥浆脉冲解码方法，该方法克服了单采用自适应噪声抵消器时系统难收敛，以及滤波后有用信号被部分抵消的缺陷，保证了滤波的可靠性和准确性，同时采用定长定脉冲数的编码方式，提高数据传输的准确性。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的基于陷波算法的泥浆脉冲解码方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)井场泵压信号经过4ma-20ma变送器处理输出电流信号yi(n)，该信号包含了有用的信号和干扰信号，电流信号yi(n)经过信号预处理单元，经过去直流等预处理操作后，滤除了低频噪声分量，得到预处理输出信号y(n)，预处理输出信号y(n)进入去噪处理流程；

(2)预处理输出信号y(n)即为去噪流程中重点处理的信号，也是自适应陷波器的输入信号，此信号中包括有用信号、泵冲噪声、振动噪声和其他噪声；预处理输出信号y(n)一部分送至自适应噪声抵消器，另一部经过延时处理送至自适应陷波器；

(3)从自适应陷波器出来的信号vi(n)即为不含有用信号的噪声信号，并将该信号送至自适应噪声抵消器，与之前进入自适应噪声抵消器的预处理输出信号y(n)做减法，得到输出信号e(n)；

(4)输出信号e(n)通过fir低通滤波器滤除高频噪声干扰，恢复出源信号；

(5)源信号的过滤波形经过编解码方式解码出井下数据信息，实现数据无线实时传输；编解码采用4个脉冲表示一个8位的数据，4个脉冲位置不同代表不同的数据。

所述的自适应陷波器为双t形陷波滤波器。

本发明的优点：

(1)本发明的陷波算法的泥浆脉冲解码方法，是一种自适应陷波器和自适应噪声抵消器配合去噪的滤波方法，该方法无需预知噪声干扰信息和设计复杂滤波器且不需大量数据分析泵冲噪声频率规律，便可有效消除泵冲噪声，克服单采用自适应噪声抵消器时系统难收敛，以及滤波后有用信号被部分抵消的缺陷，保证了滤波的可靠性和准确性，使得自适应陷波器的优势发挥到最大，滤波效果达到最优，保证泥浆脉冲解码的可靠性，降低误码率；

(2)本发明的陷波算法的泥浆脉冲解码方法，可应用于有用信号与泵冲噪声各种信噪比下泥浆脉冲信号的去噪处理，实现有效滤波，操作简单、滤波可靠，在泥浆脉冲信号处理中具有通用性，对提高泥浆脉冲信号的信噪比，降低随钻测量通信的误码率，具有显著的效果；

(3)本发明的陷波算法的泥浆脉冲解码方法，采用定长定脉冲数的编码方式，实现奇偶校验功能，提高数据传输的准确性。

附图说明

图1为本发明的泥浆脉冲信号去噪流程图。

图2为本发明的双t型陷波器的电路图。

图3为本发明的自适应陷波器频率响应特性图。

图4为本发明的8位数据0x00的编码规则示意图。

图5为本发明的8位数据0xff的编码规则示意图。

图6为本发明的经过滤波后的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-6所示，本发明的基于陷波算法的泥浆脉冲解码方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)井场泵压信号经过4ma-20ma变送器处理输出电流信号yi(n)，该信号包含了有用的信号和干扰信号，电流信号yi(n)经过信号预处理单元1，经过去直流等预处理操作后，滤除了低频噪声分量，得到预处理输出信号y(n)，预处理输出信号y(n)进入去噪处理流程；

(2)预处理输出信号y(n)即为去噪流程中重点处理的信号，也是自适应陷波器3的输入信号，此信号中包括有用信号、泵冲噪声、振动噪声和其他噪声；预处理输出信号y(n)一部分送至自适应噪声抵消器4，另一部经过延时处理2送至自适应陷波器3；

(3)从自适应陷波器3出来的信号vi(n)即为不含有用信号的噪声信号，并将该信号送至自适应噪声抵消器4，与之前进入自适应噪声抵消器4的预处理输出信号y(n)做减法，得到输出信号e(n)；

(4)输出信号e(n)通过fir低通滤波器5滤除高频噪声干扰，恢复出源信号；

(5)源信号的过滤波形经过编解码方式解码出井下数据信息，实现数据无线实时传输；编解码采用4个脉冲表示一个8位的数据，4个脉冲位置不同代表不同的数据。

所述的自适应陷波器3为双t形陷波滤波器。

本发明先通过自适应陷波器3和自适应噪声抵消器4配合去噪的滤波方法滤波，再对过滤的波形按编码规则进行解码。

自适应噪声抵消器4是自适应最优滤波器的一种变形，其基本原理是将被噪声污染的信号与参考信号进行抵消运算，从而消除带噪信号中的噪声。用自适应噪声抵消技术来提取有用信号需设置主通道和参考通道两个通道作为输入。主输入端输入从信号源发来的信号及噪声干扰信号。参考输入信号对准主输入中的噪声，利用两输入中噪声的相关性和信号与噪声的独立性，使参考输入通过自适应陷波器3与主输入中噪声分量逼近并相减，得出误差信号。

针对钻井液压力脉冲信号，自适应陷波器3的主通道输入信号为采集到的包括源信号、泵冲噪声、振动噪声和其他噪声的钻井液压力脉冲信号；由于泵冲噪声具有周期性，则其相关性也是周期的，经延时后相关性保持不变，因此可将主通道输入信号延时足够长时间作为自适应陷波器3的参考信号，使得参考信号输入中带宽信号与主通道输入的有用信号不相关或相关性很小，而泵冲噪声的相关性不变。此时，自适应陷波器3参数调节输出以主通道输入端的噪声对消为目的，误差输出就是去除泵冲噪声的恢复信号。但是，用主通道信号的延时信号作为参考信号时存在以下问题：因为延时信号中包含有用信号，当此信号加到参考通道一端时将导致最终输出信号中有用信号被部分抵消；另外，延时时间越长，延时信号对有用信号的相关性越小，去周期性噪声效果越好，但由于在延时时间内自适应噪声抵消器4未开始抵消噪声，因此延时时间越长将导致未抵消噪声的时段越长，而延时时间短时又会引起延时信号对有用信号的相关性增大。因此克服上述问题的关键在于降低参考输入端的延时信号关于主通道信号中有用信号的相关性。

根据噪声特性及对自适应噪声抵消器4和自适应陷波器3的去噪分析，设计了对原始泥浆脉冲信号进行去噪处理的流程详见附图1。

采集的井下信号yi(n)经过去直流等预处理操作后进入去噪处理流程，预处理输出信号即为去噪流程中重点处理的信号，也是自适应陷波器3的输入信号记为原始信号y(n)，此信号中包括有用信号、泵冲噪声、振动噪声和其他噪声。自适应陷波器3主通道输入为y(n)的延时信号，参考通道输入为1hz正弦信号，输出为不含1hz的y(n)的延时信号，以此作为自适应噪声抵消器4的参考信号，记为vi(n)；vi(n)中几乎不含有用信号，不仅大程度降低了参考信号和主信号关于有用信号的相关性，提高了系统收敛性，更能在输出信号e(n)中很好地保护有用信号；最后通过fir低通滤波器5便可轻松滤除高频噪声干扰，恢复出源信号。

滤除有用信号的方式主要采用双t形陷波滤波器，由于井口的压力信号一般是以4ma-20ma的模拟方式进行传输，所以在电路上设计了如附图2的结构进行滤除：

电路元器件的值要满足如下的关系。

c1＝c2＝c，c3＝2c

r1＝r2＝r，r3＝r/2

电路方程如下：

略加计算可以得到：

可以看出上面的式子都是典型的二阶系统，所以有下面的关系。

频响特性如附图3所示。

经过上述滤出后即可得到不含有用信号的杂波信号vi(n)，然后再与原始信号做减法后即可恢复出原始的有用信号。

编解码方式，采用4个脉冲表示一个8位的数据，4个脉冲位置不同代表不同的数据，附图4和附图5反应了0x00及0xff的数据波形图。

实施例：

井场泵压信号经过4ma-20ma变送器处理输出电流信号yi(n)，该信号包含了有用的信号和干扰信号，经过信号预处理单元1，滤除了低频噪声分量，此时的信号记为y(n)。

y(n)一部分送至自适应噪声抵消器4，另一部经过延时处理2送至自适应陷波器3，出来的信号即为不含有用信号的噪声信号，并将该信号送至自适应噪声抵消器4，与之前的y(n)信号做减法，即可还原出需要的有用信号。

附图6为滤波的效果图。

经过过滤的波形按照附图4和附图5的规则，编解码采用4个脉冲表示一个8位的数据，4个脉冲位置不同代表不同的数据即可解码出井下的数据信息，实现奇偶校验功能，实现数据无线实时传输。

本发明的陷波算法的泥浆脉冲解码方法，是一种自适应陷波器3和自适应噪声抵消器4配合去噪的滤波方法，该方法无需预知噪声干扰信息和设计复杂滤波器且不需大量数据分析泵冲噪声频率规律，便可有效消除泵冲噪声，克服单采用自适应噪声抵消器4时系统难收敛，以及滤波后有用信号被部分抵消的缺陷，保证了滤波的可靠性和准确性，使得自适应陷波器3的优势发挥到最大，滤波效果达到最优，保证泥浆脉冲解码的可靠性，降低误码率。