套管井超聲成像儀數(shù)據(jù)采集與處理電路設(shè)計(jì)

楊 成，陶愛華，程晶晶，吳永江

(1.華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149)

0 引言

在油氣資源勘探開發(fā)過程中，鉆井完成后經(jīng)過固井作業(yè)的井稱為套管井，套管井的質(zhì)量決定了油氣井的后續(xù)資源開發(fā)質(zhì)量和壽命，因此固井質(zhì)量檢測具有重要意義[1-3]。井周介質(zhì)成像技術(shù)是一種新興的固井質(zhì)量檢測技術(shù)，它通過測量超聲脈沖在界面的反射衰減情況和在套管中傳播的擾曲波的衰減情況來獲得井下界面的膠結(jié)信息，并且能對(duì)套管井進(jìn)行360°掃描成像。目前法國斯倫貝謝公司擁有目前先進(jìn)的井周介質(zhì)成像儀器，而我國在該技術(shù)領(lǐng)域沒有達(dá)到領(lǐng)先水平，相關(guān)的科研單位也在自主研制[4-6]。因此對(duì)于套管井超聲成像儀的相關(guān)研制工作具有重要意義[7]，本文設(shè)計(jì)了一種套管井超聲成像儀數(shù)據(jù)采集電路，可用于超聲波回波信號(hào)的采集與處理，該電路能夠在175 ℃的環(huán)境中正常工作，為井下信號(hào)采集提供了一種可行方案。

1 套管井超聲成像儀電路結(jié)構(gòu)

套管井超聲成像儀電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包含數(shù)據(jù)采集與處理電路、聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收放大電路、高壓發(fā)射電路。

圖1 套管超聲成像儀結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集與處理電路的主要功能是回波信號(hào)的采集與實(shí)時(shí)處理，另外還具有脈沖觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生、馬達(dá)控制、溫度檢測和地面通信的功能。聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收放大電路主要功能為驅(qū)動(dòng)和接收，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)數(shù)據(jù)采集與處理電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，接收電路接收返回的回波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理后送入數(shù)據(jù)采集與處理電路中進(jìn)行下一步處理。高壓發(fā)射電路的作用包括解析發(fā)射命令，提供發(fā)射激勵(lì)電壓等。儀器通過3個(gè)模塊的協(xié)同工作完成井下測量工作。本文主要對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理電路進(jìn)行介紹。

2 數(shù)據(jù)采集與處理電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與處理電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，電路功能由FPGA和DSP協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)[8]，所用芯片均為耐高溫芯片，工作溫度都能達(dá)到175 ℃，其中ADC選用THS1408，F(xiàn)PGA型號(hào)為A3P1000PQ208YM，DSP型號(hào)為TMS320F28335PTPQ，ADC驅(qū)動(dòng)芯片選用OPA211，SRAM芯片選用IS64WV51216ALL，電源芯片選用QQ42118，電阻電容也都選用耐高溫的型號(hào)。

圖2 數(shù)據(jù)采集與處理電路硬件結(jié)構(gòu)圖

電路中，F(xiàn)PGA的主要作用是控制數(shù)據(jù)采集和通信，其中有2路ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ADC1用于采集垂直換能器接收的回波，ADC2用于采集斜置換能器接收的回波，ADC與FPGA采用并行通訊方式，ADC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA傳遞給DSP進(jìn)行處理，然后返回給FPGA，F(xiàn)PGA通過地面通信模塊把數(shù)據(jù)傳遞給地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)通過EDIB接口讀取原始波形數(shù)據(jù)或提取的參數(shù)信息。DSP的主要作用是信號(hào)處理，包括對(duì)原始回波的數(shù)字濾波和參數(shù)的提取，并且根據(jù)處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)生自動(dòng)增益控制信號(hào)控制前置放大器的增益，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 ADC采集電路設(shè)計(jì)

ADC采集電路如圖3所示，由驅(qū)動(dòng)器OPA211和THS1408組成，驅(qū)動(dòng)器的作用是抑制諧波失真，隔離輸入端的電壓反沖，在驅(qū)動(dòng)器與ADC之間有RC濾波器，限制噪聲信號(hào)的輸入，起到濾波作用，但濾波器選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)電路延時(shí)增大，影響信號(hào)實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)中根據(jù)輸入頻率和數(shù)據(jù)吞吐速率找到RC最優(yōu)值，即圖中R6和C2的值。

圖3 ADC采集電路

因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的增益為1，計(jì)算中較小的輸入電阻可以忽略，等效噪聲計(jì)算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：es為源電阻Rs的熱噪聲；Rs的等效值為1 kΩ；e3為電阻R3的熱噪聲；e5為源電阻R5的熱噪聲;T為電阻的絕對(duì)溫度；k為玻爾茲曼常數(shù)。

驅(qū)動(dòng)電路等效輸入噪聲為

(4)

通過RC濾波器后，ADC輸入端總噪聲為

(5)

式中BWRC為RC濾波器的帶寬。

THS1408的均方根噪聲為[10]

(6)

式中SNR為THS1408的典型信噪比。

則整個(gè)電路的噪聲：

(7)

由此可得到采集電路的理論信噪比為

(8)

通過理論計(jì)算說明該電路符合設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)據(jù)采集與處理電路的熱設(shè)計(jì)

3.1 板級(jí)熱設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中熱設(shè)計(jì)是為了避免熱量聚集從而導(dǎo)致溫度過高燒壞電子元件，套管井超聲成像儀因?yàn)橐ぷ髟诟邷丨h(huán)境中，電路板的熱設(shè)計(jì)是非常必要的。熱設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)層次[11]、封裝級(jí)、板級(jí)以及環(huán)境級(jí)。封裝級(jí)別熱設(shè)計(jì)研究封裝結(jié)構(gòu)、尺寸、材料等對(duì)散熱的影響。電路板級(jí)熱設(shè)計(jì)主要考慮電子器件布局，PCB材料等對(duì)電路溫度性能的影響。環(huán)境級(jí)熱設(shè)計(jì)主要研究整體儀器與周圍環(huán)境的的換熱關(guān)系，保證儀器工作在可承受溫度范圍內(nèi)。本文從板級(jí)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。

在板級(jí)熱設(shè)計(jì)中，首先要考慮的是器件的選型，數(shù)據(jù)采集與處理電路中的DSP、FPGA等器件都選用耐高溫器件，電容選用高溫鉭電容和NPO電解質(zhì)電容，這兩種電容溫度系數(shù)平坦性很好。電阻采用薄膜SMT電阻。以上器件均能在175 ℃的環(huán)境下正常工作。其次，電路板采用耐高溫?zé)o鹵聚酰亞胺材料，并在電路板表面進(jìn)行鎳金處理，防止金屬間增生，提高焊盤抗氧化性。電路焊接材料選用Sn95，防止在高溫環(huán)境下器件脫落。最后對(duì)大功率器件設(shè)計(jì)了散熱焊盤，并把散熱焊盤接地，提供一個(gè)良好的散熱回路。

在布局布線時(shí)考慮了各個(gè)元器件的功耗以及信號(hào)整體流向等因素，設(shè)計(jì)了合理的布局，并且經(jīng)過多次的熱仿真優(yōu)化，提高電路板的熱性能，得到了電路板最優(yōu)的溫度場分布。數(shù)據(jù)采集與處理電路實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與處理電路實(shí)物

3.2 熱設(shè)計(jì)仿真

本文使用COMSOL軟件對(duì)電路進(jìn)行熱仿真，COMSOL軟件是通過有限元分析的方法，將求解與拆分成多個(gè)單元進(jìn)行偏微分方程求解。建立電路板的模型，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與處理電路板模型

電路板模型建立以后，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，首先計(jì)算各個(gè)器件的功率，設(shè)置熱源功率，然后把芯片的材料設(shè)置為硅，PCB板材設(shè)置為無鹵聚酰亞胺材料，粘合劑設(shè)為錫，然后設(shè)置邊界條件，器件與PCB板的傳熱設(shè)置為固體傳熱，其余與空氣接觸的部分設(shè)置為對(duì)流傳熱和輻射傳熱，換熱系數(shù)設(shè)為5 W/(m2·K)，輻射系數(shù)設(shè)為0.8，環(huán)境的溫度設(shè)置為175 ℃，環(huán)境為無風(fēng)環(huán)境，相關(guān)參數(shù)設(shè)置以后運(yùn)行軟件得到電路板溫度分布圖，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集與處理電路熱仿真結(jié)果圖

通過仿真圖可以看到在環(huán)境溫度在175 ℃的情況下，器件的溫度都在181 ℃以下，電源部分的溫度最高，溫度分布相對(duì)均勻，說明電路板散熱性能良好，熱量不會(huì)堆積，符合設(shè)計(jì)要求。

4 數(shù)據(jù)采集與處理電路軟件設(shè)計(jì)

回波信號(hào)經(jīng)過AD采集以后，需要進(jìn)行數(shù)字處理，處理流程如圖7所示，數(shù)字處理部分主要包括數(shù)字濾波器、回波聲時(shí)和回波幅度的提取以及增益自動(dòng)調(diào)節(jié)部分。

圖7 回波信號(hào)處理流程

4.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

由于井下噪聲干擾嚴(yán)重，回波信號(hào)只通過模擬電路進(jìn)行濾波并不能達(dá)到要求，所以需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波,因?yàn)榧?lì)信號(hào)和回波信號(hào)相關(guān)度較高，所以利用相干檢測的方法進(jìn)行處理[12]。

H0∶x[n]=w[n],n=0,1,…,N-1H1∶X[n]=s[n]+w[n],n=0,1,…,N-1

(9)

式中：s[n]為已知信號(hào)；w[n] ～N(0,σ2)。

由于每次采樣相互獨(dú)立，觀察矢量x的概率密度函數(shù)為：

(10)

式中x=[x[0]x[1]…x[N-1]]T。

則2個(gè)概率密度似然比為

(11)

似然比檢驗(yàn)為

(12)

兩邊取自然對(duì)數(shù)并進(jìn)行進(jìn)一步簡化可得判定規(guī)則：

(13)

式(13)表示的檢測器稱為相關(guān)檢測器，濾波器具體實(shí)現(xiàn)的示意圖如圖8所示，通過相關(guān)檢測能夠很好地消除噪聲，提取特征信號(hào)。

圖8 相關(guān)檢測數(shù)字濾波器示意圖

4.2 回波幅度和聲時(shí)的提取設(shè)計(jì)

4.2.1 回波幅度的提取

回波幅度提取示意圖如圖9所示。

圖9 回波幅度提取示意圖

提取回波幅度時(shí)首先找到最大值VA和最小值VB，VA和VB前后各取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合的曲線為拋物線，根據(jù)擬合的拋物線方程求最大值和最小值，然后求幅度的大小。以VA為例，在其附近找3個(gè)點(diǎn)分別為(n-1,Pn-1)(n,Pn)(n+1,Pn+1),假設(shè)拋物線方程為

p=ax2+bx+c

(14)

把3個(gè)點(diǎn)帶入該方程成可得：

(15)

(16)

拋物線在x=-b/(2a)處取得最大值，即：

(17)

將x的值帶入方程可得最大值PA，同理求VB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小值PB，幅度VPP=PA-PB。

4.2.2 回波聲時(shí)的提取

回波聲時(shí)提取示意圖如圖10所示，首先設(shè)置電壓門限，找到絕對(duì)值大于門限的負(fù)電壓Ei，從Ei后查找第一個(gè)非負(fù)的值D3，向前查找第一個(gè)非負(fù)值D2，在D3后查找第一個(gè)非正值D4，在D2前查找第一個(gè)非正值D1，D1和D2之間找最大值H1，D2和D3之間找最小值H2，D3和D4之間找最大值H3，如果|H1|<|H2|<|H3|、D2為0，則認(rèn)為是回波初至點(diǎn)，否則找到臨近的一個(gè)負(fù)值，兩點(diǎn)間的連線與橫軸的交點(diǎn)作為初至點(diǎn)，根據(jù)采樣率可算出聲時(shí)。

圖10 回波聲時(shí)提取示意圖

4.3 自動(dòng)增益控制算法設(shè)計(jì)

在測井過程中，回波幅度因?yàn)榘l(fā)射面的不同會(huì)有較大的變化，而ADC輸入電壓不能太大或太小，所以需要對(duì)前置放大電路的增益進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，該方法稱為AGC(automatic gain gontrol)，本文采用基于幅度對(duì)數(shù)關(guān)系的AGC算法實(shí)現(xiàn)控制?；诜葘?duì)數(shù)關(guān)系的AGC算法如圖11所示。

圖11 基于幅度對(duì)數(shù)關(guān)系的AGC算法示意圖

當(dāng)信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，輸出增益信號(hào)可以表示為

log{A(n+1)}=log{A(n)}[1-α]-αlog{Um/R}

(18)

化簡可得：

log{A(n)}=-log{Um/R}[1-(1-α)n]u(n)

(19)

通過關(guān)系是可以看到對(duì)數(shù)AGC算法能夠根據(jù)輸出實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出增益的大小，符合設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 回波信號(hào)采集測試

將電路搭載在測試儀器上進(jìn)行回波信號(hào)的采集測試，在軸向深度步進(jìn)，在不同深度連續(xù)發(fā)射和接收20個(gè)超聲波，結(jié)果如圖12所示，然后固定一個(gè)深度，旋轉(zhuǎn)換能器，每旋轉(zhuǎn)5°記錄一個(gè)波形，結(jié)果如圖13所示。

圖12 軸向深度采集波形圖

圖13 旋轉(zhuǎn)換能器采集波形圖

5.2 回波幅度和聲時(shí)的提取測試

對(duì)于采集到得回波信號(hào)需要提取相關(guān)參數(shù)信息，對(duì)軸向深度的20個(gè)回波進(jìn)行幅度和聲時(shí)的提取，其中ADC的采樣率為2.5 MSPS，提取結(jié)果如圖14和圖15所示，從圖中可以看到不同深度的回波幅度和聲時(shí)是變化的，這是因?yàn)椴煌疃鹊慕缑娌煌?，回波的衰減和返回時(shí)間都有所不同。

圖14 不同步進(jìn)深度的回波幅度

圖15 不同步進(jìn)深度的回波聲時(shí)

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種套管井超聲成像儀數(shù)據(jù)采集與處理電路，分別從硬件設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)電路的噪聲性能和熱性能都進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠快速精確的采集回波數(shù)據(jù)并對(duì)回波參數(shù)進(jìn)行的提取，并且能夠在175 ℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作。本文的設(shè)計(jì)為套管井超聲成像儀井下數(shù)據(jù)采集提供了一種可行方案。