數(shù)字相敏檢波器在測(cè)井儀器中的應(yīng)用研究

李 科魯保平張家田

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西西安) (2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司技術(shù)中心 陜西西安)

數(shù)字相敏檢波器在測(cè)井儀器中的應(yīng)用研究

李 科1、2魯保平2張家田1

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西西安) (2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司技術(shù)中心 陜西西安)

在測(cè)井儀器的信號(hào)采集設(shè)計(jì)中,需解決在惡劣工作環(huán)境中對(duì)微弱信號(hào)的精確測(cè)量的問題。常規(guī)的相關(guān)檢測(cè)一般都采用模擬開關(guān)相敏檢波來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而硬件的相關(guān)檢測(cè)方法,受到元器件溫度性能的影響,表現(xiàn)為在高溫情況下存在嚴(yán)重的測(cè)量誤差。文章針對(duì)于目前測(cè)井儀器中的模擬相敏檢波器的存在的穩(wěn)定性低的缺點(diǎn),提出了采用數(shù)字相敏檢波器實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)的的方法。該方法克服了溫度變化所產(chǎn)生的影響,能夠更精確的進(jìn)行小信號(hào)的相關(guān)檢測(cè),最后使用MATLAB對(duì)文中的數(shù)字相敏檢波算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

相關(guān)檢測(cè);數(shù)字相敏檢波器;等效采樣

0 引 言

電阻率測(cè)井儀器一般是通過一個(gè)發(fā)射線圈或者電極向地層發(fā)射一個(gè)單一頻率的正弦波或者多種頻率正弦波疊加的電壓或者電流信號(hào),在與發(fā)射相隔一定距離處的接收線圈或者電極接收經(jīng)過地層電阻衰減的電壓或者電流信號(hào),根據(jù)接收到的電壓或者電流信號(hào)的變化來(lái)反映地層電阻率的變化,并依據(jù)電阻率來(lái)劃分地層巖性、估算儲(chǔ)層含氫飽和度,進(jìn)而評(píng)價(jià)儲(chǔ)集巖層的油氣產(chǎn)能的一種測(cè)井方法。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電阻率的變化范圍非常大,因此接收到的電壓或電流信號(hào)也同樣具有很寬的變化范圍。為了能精確地測(cè)量經(jīng)過地層反饋回來(lái)的有用電信號(hào),一般都采用相敏檢波的相關(guān)檢測(cè)方法來(lái)提取有用信號(hào)。模擬乘法器基本采用模擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于測(cè)井儀器一般工作在的高溫高壓環(huán)境下,因此對(duì)元器件的溫度性能要求很高,復(fù)雜的硬件電路對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)了嚴(yán)重的影響,且本文提出了用數(shù)字相敏檢波器代替模擬相敏檢波器應(yīng)用研究。

1 模擬相敏檢波的原理

目前的常規(guī)的電法測(cè)井儀器中對(duì)于檢波器的設(shè)計(jì)仍采用模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以分為兩類:一種是參考信號(hào)和輸入信號(hào)同為正弦波;一種是參考信號(hào)為方波,輸入信號(hào)為正弦波。對(duì)于兩組不同的信號(hào)檢測(cè),也采用兩種不同的方案進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

方案一:采用變壓器和雙極型三極管組成的正弦波檢正弦波的相敏檢波器,原理圖如圖1所示;方案

圖1 正弦波相敏檢波器原理

二:是把正弦波先進(jìn)行波形變化轉(zhuǎn)化為方波,再進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算,也就是參考信號(hào)為方波的相敏檢波器,原理圖如圖2所示。

圖3 方波相敏檢波器原理

從圖可以看出當(dāng)輸入信號(hào)和參考信號(hào)同相時(shí),檢波器將輸出直流電壓;當(dāng)輸入信號(hào)和參考信號(hào)正交時(shí),輸出的電壓值為零。

模擬相敏檢波器雖然可以有效地抑制噪聲信號(hào),但是工作在高溫高壓環(huán)境下的測(cè)井儀器,由于溫度的變化使得各元器件的性能發(fā)生變化,從而引起的相位漂移和零漂都對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不穩(wěn)定的影響。

2 數(shù)字相敏檢波的方法及實(shí)現(xiàn)

目前各種高性能的數(shù)字信號(hào)處理器的廣泛應(yīng)用,數(shù)字相敏檢波器以其可靠性、靈活性已經(jīng)在逐步取代傳統(tǒng)的模擬相敏檢波器。數(shù)字相敏檢波器有兩部分組成:以DSP為核心的硬件電路和軟件算法。

2.1 數(shù)字相敏檢波器的硬件實(shí)現(xiàn)

要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算,必須先采用A/D轉(zhuǎn)換器把模擬的電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。數(shù)字相敏檢波器的核心部件是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),它主要用來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和相關(guān)運(yùn)算。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前我們必須對(duì)要轉(zhuǎn)換的被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[1～3],這樣就需要前置放大和濾波器。所以具體的硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 硬件電路框圖

但是在高溫環(huán)境中由于元器件受溫度變化的影響,對(duì)于兩個(gè)通道的預(yù)處理電路,不能保證它們隨溫度的變化在性能上也發(fā)生相同的變化,因此在測(cè)井儀器中我們對(duì)圖3中的硬件電路進(jìn)行了改進(jìn)的硬件電路如圖4所示。

比較圖4與圖3可以看出兩種電路的不同之處是:改進(jìn)后的電路增加了一個(gè)模擬選擇開關(guān),而把兩個(gè)預(yù)處理電路通道變成了一個(gè)。采用改進(jìn)的方案當(dāng)元器件性能隨溫度變化時(shí),硬件電路不僅對(duì)被測(cè)信號(hào)有影響,同時(shí)也影響參考信號(hào),并且對(duì)兩者的影響是相同的。去掉這種影響的簡(jiǎn)單辦法只要在DSP中把被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行相除運(yùn)算就可以相抵消。

圖4 改進(jìn)的硬件電路

采用了一個(gè)信號(hào)預(yù)處理通道后可以解決溫度變化所帶來(lái)的環(huán)境影響,但是同時(shí)也帶來(lái)了另一個(gè)問題:采樣時(shí)間上必然不能像雙通道那樣兩者同時(shí)采樣,也就是如何在分時(shí)采樣中保證信號(hào)的時(shí)不變性,由于參考信號(hào)作為一個(gè)的被測(cè)信號(hào),它是一個(gè)時(shí)不變信號(hào),對(duì)參考信號(hào)的采樣不受時(shí)間的影響,所以只要把被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在采樣時(shí)的起始點(diǎn)對(duì)齊就可以解決分時(shí)采樣帶來(lái)的影響。

2.2 數(shù)字相敏檢波的算法

假設(shè)被測(cè)信號(hào)為:

參考信號(hào)為:

式中,A、B為信號(hào)幅度,θ0、θ′0為相角。

由于環(huán)境溫度因素的影響硬件電路性能的變化A、B、θ0、θ′0都將發(fā)生變化。對(duì)于相角的變化量,由于結(jié)果只注重相位差所以對(duì)于相位的測(cè)量結(jié)果不會(huì)帶來(lái)任何影響,但是對(duì)于幅度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并沒有消除。因此為了克服幅度變化帶了的計(jì)算影響引入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào):

分別在M個(gè)周期對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)s(t)、r(t)進(jìn)行M×N次等效采樣[2],采樣間隔為ts=1/fs=1/(N·f0)。采用反相采樣分段累加相關(guān)法[3]分別可以得到:

l=0,1,2,3……M-1。

同樣對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行同相采樣和正交采樣可得:

l=0,1,2,3……M-1。

以上各式中N=f0/fs,也就是每周期的采樣點(diǎn)數(shù)。

分別計(jì)算被測(cè)信號(hào)x(l)和參考信號(hào)r(l)與基準(zhǔn)信號(hào)的相關(guān)性:

式(3)中Rx、Xx分別為被測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的同相分量和正交分量的累加和;同樣式(4)中Rr、Xr分別為參考信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)同相分量和正交分量的累加和。

從而可以求出被測(cè)信號(hào)M個(gè)周期的幅度和及與基準(zhǔn)信號(hào)的相位:

參考信號(hào)M個(gè)周期的幅度和及與基準(zhǔn)信號(hào)的相位:

根據(jù)以上對(duì)圖5硬件電路的分析?？梢缘贸?

K為被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的幅度和的比值;Δ φ為被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。

從式(7)可以看出,當(dāng)預(yù)處理電路隨溫度變化出現(xiàn)的幅度變化和相位漂移都可以通過最終的計(jì)算消除。

3 MATLAB下的仿真驗(yàn)證

運(yùn)用以上相敏檢波的算法在MATLAB中進(jìn)行仿真[4、5]。

設(shè)被測(cè)信號(hào)為:

參考信號(hào)為:

基準(zhǔn)信號(hào)為:

對(duì)以上的復(fù)頻被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在4個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行39點(diǎn)采樣如圖5、圖6所示。

圖5 測(cè)井信號(hào)4周期39點(diǎn)等效采樣序列

圖6 參考信號(hào)信號(hào)4周期39點(diǎn)等效采樣序列

為了檢測(cè)出不同頻率的被測(cè)信號(hào),要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別在3種頻率下進(jìn)行采樣:當(dāng)ω=ω0時(shí)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)在4個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行39點(diǎn)采樣如圖7所示;當(dāng)ω=2ω0時(shí)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)在8個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行39點(diǎn)采樣如圖8所示;當(dāng)ω=4ω0時(shí)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)在16個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行39點(diǎn)采樣即如圖9所示。

圖7 ω=ω0正交與同相采樣信號(hào)序列

圖8 ω=2ω0正交與同相采樣信號(hào)序列

圖9 ω=4ω0正交與同相采樣信號(hào)序列

在MATLAB下進(jìn)行仿真可得見表1。

表1 在MATLAB下進(jìn)行仿真

假設(shè)預(yù)處理電路中幅度衰減為當(dāng)前的0.8倍,相位漂移5°,經(jīng)過仿真計(jì)算可得見表2。

從表1和表2中的計(jì)算結(jié)果比較可以看出:當(dāng)幅度衰減為原來(lái)的0.8倍時(shí)其個(gè)幅度累加和相應(yīng)為原幅度累加和的0.8倍,其比值沒有任何變化,因此通過相除計(jì)算可以消除預(yù)處理電路中放大器中放大倍數(shù)變化的影響;當(dāng)相位發(fā)生變化時(shí)通過與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相位的計(jì)算;兩者相減同樣可以消除電路對(duì)相位漂移的影響。

從以上的仿真驗(yàn)證可以看出對(duì)于一個(gè)含有3種頻率的被測(cè)信號(hào),如果采用模擬相敏檢波器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)首先需要3個(gè)頻率的帶通濾波器,還需要3個(gè)檢波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜,可造成的測(cè)量誤差因素增加。采用數(shù)字相敏檢波,只需要把被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再通過DSP與存入DSP中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在相關(guān)運(yùn)算時(shí)提取與被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)頻率相同標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,就能實(shí)現(xiàn)含有多種頻率分量的測(cè)量信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)模擬相敏檢波器的介紹以及其優(yōu)缺點(diǎn)的分析,提出了采用數(shù)字相敏檢波器代替模擬相敏檢波器的可行性。采用反相采樣累加法的相關(guān)檢測(cè)算法,先對(duì)參考信號(hào)、測(cè)量信號(hào)分別與引入的第三者標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相關(guān)計(jì)算,再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相除、相減分別計(jì)算幅度累加和比值和相位差的辦法,消除了硬件電路性能變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。對(duì)于含有多種頻率分量的被測(cè)信號(hào),只要分別使用不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)就可以檢測(cè)出各種頻率的被測(cè)信號(hào),因此采用數(shù)字相敏檢波器提高了儀器設(shè)計(jì)的靈活性,而且也減少小復(fù)雜電路對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

[1] 路長(zhǎng)厚,劉文信,艾 興.數(shù)字相敏檢波技術(shù)及其應(yīng)用.制造技術(shù)與機(jī)床[J].1997,(7)

[2] 占細(xì)雄,林 君,朱虹等.乙醇汽油近紅外分析儀信號(hào)提取技術(shù).吉林大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2006,(4)

[3] 向桂山,王宣銀,劉西亮.大距離系數(shù)紅外測(cè)溫儀的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(12)

[4] 孫 祥,徐流美,吳 青.MATLAB7.0基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005

[5] 施曉紅,周 佳.精通GUI圖形界面編程[M].北京:北京大學(xué)出版社,2003

PI,2011,25(1):35～38

When designing the signal acquisition of the well logging tools,we must think over the measures called correlation detection,which is used to detect the feeble desired signals exposed in a hostile environment full of noises.Conventionally,the analog switches in the phase sensitive detection module is most often adopted to implement the correlation detection.However,the effect of the high temperature on the performance of the components and parts such as analog switch usually results in measure error.Therefore,it is suggested in this paper to adopt digital phase sensitive detection instead of analog one to carry out correlation detection in order to overcome the limitation of the conventional analog phase sensitive detection.The method introduced in the paper is suitable for acquiring the feeble signals with little effects of high temperature and getting more accurate measurement than conventional one.In addition,by using the MATLAB software,the paper presents an emulation result to verify the application of equivalent sampling method and the digital phase sensitive detection.

Key words:correlation detection,digital phase sensitive detection,equivalent acquisition

A study on the application of the digital phase sensitive detection in the well logging tools.

Li Ke,Lu Baoping and Zhang Jiatian.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0035-04

李 科,男,1976年生,工程師,2000年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子儀器及測(cè)量技術(shù)專業(yè),西安石油大學(xué)儀器儀表專業(yè)在讀碩士研究生,現(xiàn)在中石油測(cè)井有限公司技術(shù)中心從事技術(shù)研發(fā)工作。郵編:710075

2010-08-06編輯:梁保江)