一种感应测井直耦信号自动对消装置

摘要

本发明公开了一种感应测井直耦信号自动对消装置，运用信号处理电路内部反馈补偿对消的方式来实现对直耦信号的对消。本发明通过数字相敏检波技术DPSD对接收的复合信号实现正交分离，根据实部与虚部幅度大小以及相位对应关系，由FPGA可编程门阵列模块控制DDS数字频率合成器输出一与参考信号反向的且幅度相近的补偿信号，再与复合信号叠加，直耦信号与反馈补偿信号相减，相互抵消，最后提取剩下的二次感应信号，参与最后电导率的换算。本方法通过软件算法自动实现直耦信号对消，省去了补偿线圈硬件结构，无需校准，实用性强，可靠性更好。

权利要求

1.一种感应测井直耦信号自动对消装置，其特征在于，包括：加法运算电路模块，用于对感应测井仪接收线圈接收到的混合信号以及相位补偿信号输出模块产生的补偿信号进行叠加，形成复合信号；

信号放大滤波调理模块，用于对加法运算电路模块输出的复合信号进行信号放大滤波调理；

ADC采样模块，用于对经信号放大滤波调理模块调理后的复合信号进行ADC采样，将模拟信号转换成数字信号；

FPGA可编程门阵列模块，用于读取ADC采样后的数据并累加，向DSP主控模块上传ADC采样累加后的数据，以及接收来自DSP主控模块的命令并采取相应操作；

DSP主控模块，用于对整个感应测井仪进行控制，并对ADC采样累加后的数据进行DPSD相敏检波运算；

相位补偿信号输出模块，用于产生补偿信号；

增益调节控制模块，用于对补偿信号进行增益调节；

参考信号切换模块，用于当感应测井仪具有多个发射线圈时切换至当前处于发射状态下的发射线圈耦合输出的参考信号；

所述加法运算电路模块、信号放大滤波调理模块、ADC采样模块、FPGA可编程门阵列模块、相位补偿信号输出模块、增益调节控制模块顺次连接；所述加法运算电路模块的输入端分别与感应测井仪的接收线圈及增益调节控制模块的输出端连接；所述ADC采样模块的输入端与感应测井仪的发射线圈连接；所述FPGA可编程门阵列模块还分别与信号放大滤波调理模块及增益调节控制模块连接；所述DSP主控模块通过数据总线及地址总线与FPGA可编程门阵列模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的感应测井直耦信号自动对消装置，其特征在于，所述信号放大滤波调理模块包括：低噪声滤波放大器，用于对复合信号进行低噪声放大处理；

带通滤波器，用于对复合信号进行带通滤波处理；

程控运放器，用于对复合信号进行程控放大处理；

所述低噪声滤波放大器的输入端为信号放大滤波调理模块的输入端；低噪声滤波放大器、带通滤波器、程控运放器顺次连接；所述程控运放器的输出端为信号放大滤波调理模块的输出端；所述FPGA可编程门阵列模块与程控运放器连接，用于调节程控运放器的增益。

3.根据权利要求1所述的感应测井直耦信号自动对消装置，其特征在于，所述相位补偿信号输出模块包括：DDS数字频率合成器，用于产生并输出补偿信号；

DAC数模转换器，用于调整DDS数字频率合成器的输出幅度；

所述FPGA可编程门阵列模块分别与DDS数字频率合成器、DAC数模转换器连接，用于控制DDS数字频率合成器、DAC数模转换器的输出；所述DDS数字频率合成器的输入端与DAC数模转换器连接，输出端为相位补偿信号输出模块的输出端。

4.根据权利要求1所述的感应测井直耦信号自动对消装置，其特征在于，所述增益调节控制模块包括：LC低通滤波器，用于对补偿信号进行低通滤波处理；

低噪声放大器，用于对补偿信号进行低噪声放大处理；

模拟开关电阻网络，用于调节低噪声放大器；

所述LC低通滤波器的输入端为增益调节控制模块的输入端，输出端与低噪声放大器的输入端连接；所述低噪声放大器的输出端为增益调节控制模块的输出端，输入端还与模拟开关电阻网络连接；所述FPGA可编程门阵列模块与模拟开关电阻网络连接，用于控制模拟开关电阻网络的电阻大小。

说明书

一种感应测井直耦信号自动对消装置

技术领域

[0001] 本发明属于电磁感应技术领域，具体涉及一种感应测井直耦信号自动对消装置的设计。

背景技术

[0002] 感应测井仪发射线圈在导电地层中产生涡流，涡流对接收线圈产生携带地层信息的二次感应信号，通过测量二次感应信号来获取地层信息。但是在实际测量过程中，由于发射线圈和接收线圈的耦合效应，接收线圈还会接收到来自发射线圈的直耦信号。直耦信号不携带地层信息，通常为无用信号，并且一般会比二次感应信号大好几个数量级以上，如果不加以对消，有用的二次感应信号往往会淹没在直耦信号里，这样会对接收处理单元的信号提取造成很大的困难，同时也大大增加了测量难度，因此需要对接收线圈的直耦信号进行对消。

[0003] 由电磁感应的基本原理可知，在测井仪中通常采用在接收线圈上串接补偿线圈的方式来去除直耦信号，具体通过改变补偿线圈的匝数和面积来实现。然而绕制的线圈存在精度不够、稳定性差的缺点，并且一旦组装完成，若仪器在运输和使用中对消效果出现变化，或者因使用环境的变化而出现对消误差，又要重新调试对消，这样会消耗大量的时间和人力成本。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对背景技术的不足之处，提出了一种感应测井直耦信号自动对消装置，使测井仪的调试过程简单易操作、精度高、稳定性好，无需校准，同时省去补偿线圈以及线圈匝数与绕向的设计，适用于测井行业中不断变化的操作环境。

[0005] 本发明的技术方案为：一种感应测井直耦信号自动对消装置，包括：

[0006] 加法运算电路模块，用于对感应测井仪接收线圈接收到的混合信号以及相位补偿信号输出模块产生的补偿信号进行叠加，形成复合信号；

[0007] 信号放大滤波调理模块，用于对加法运算电路模块输出的复合信号进行信号放大滤波调理；

[0008] ADC采样模块，用于对经信号放大滤波调理模块调理后的复合信号进行ADC采样，将模拟信号转换成数字信号；

[0009] FPGA可编程门阵列模块，用于读取ADC采样后的数据并累加，向DSP主控模块上传ADC采样累加后的数据，以及接收来自DSP主控模块的命令并采取相应操作；

[0010] DSP主控模块，用于对整个感应测井仪进行控制，并对ADC采样累加后的数据进行DPSD相敏检波运算；

[0011] 相位补偿信号输出模块，用于产生补偿信号；

[0012] 增益调节控制模块，用于对补偿信号进行增益调节；

[0013] 加法运算电路模块、信号放大滤波调理模块、ADC采样模块、FPGA可编程门阵列模块、相位补偿信号输出模块、增益调节控制模块顺次连接；加法运算电路模块的输入端分别与感应测井仪的接收线圈及增益调节控制模块的输出端连接；ADC采样模块的输入端与感应测井仪的发射线圈连接；FPGA可编程门阵列模块还分别与信号放大滤波调理模块及增益调节控制模块连接；DSP主控模块通过数据总线及地址总线与FPGA可编程门阵列模块通信连接。

[0014] 本发明的有益效果是：本发明通过电路与软件算法来实现对直耦信号的对消，采用信号补偿反馈的形式，通过软件算法的控制，合理调节补偿信号的大小与相位，实现与直耦信号的对消。本发明中软件算法在DSP主控模块中完成，采用DPSD数字相敏检波技术，自动调整补偿信号的增益，使得补偿信号与直耦信号幅度相当且相位相差180度，信号叠加后起到对消的作用。本发明能自动完成对消的工作，简单快捷，具有一定的实时性，不受其他外界因素影响，可靠性高，适应性强，完全能够满足系统测量时序的要求。

[0015] 优选地，信号放大滤波调理模块包括：

[0016] 低噪声滤波放大器，用于对复合信号进行低噪声放大处理；

[0017] 带通滤波器，用于对复合信号进行带通滤波处理；

[0018] 程控运放器，用于对复合信号进行程控放大处理；

[0019] 低噪声滤波放大器的输入端为信号放大滤波调理模块的输入端；低噪声滤波放大器、带通滤波器、程控运放器顺次连接；程控运放器的输出端为信号放大滤波调理模块的输出端；FPGA可编程门阵列模块与程控运放器连接，用于调节程控运放器的增益。

[0020] 上述优选方案的有益效果为：对直耦信号与二次感应信号叠加后的复合信号进行低噪声放大、带通滤波、程控放大一系列的信号放大滤波调理操作，便于后续对于复合信号的ADC采样及累加操作。

[0021] 优选地，相位补偿信号输出模块包括：

[0022] DDS数字频率合成器，用于产生并输出补偿信号；

[0023] DAC数模转换器，用于调整DDS数字频率合成器的输出幅度；

[0024] FPGA可编程门阵列模块分别与DDS数字频率合成器、DAC数模转换器连接，用于控制DDS数字频率合成器、DAC数模转换器的输出；DDS数字频率合成器的输入端与DAC数模转换器连接，输出端为相位补偿信号输出模块的输出端。

[0025] 增益调节控制模块包括：

[0026] LC低通滤波器，用于对补偿信号进行低通滤波处理；

[0027] 低噪声放大器，用于对补偿信号进行低噪声放大处理；

[0028] 模拟开关电阻网络，用于调节低噪声放大器；

[0029] LC低通滤波器的输入端为增益调节控制模块的输入端，输出端与低噪声放大器的输入端连接；低噪声放大器的输出端为增益调节控制模块的输出端，输入端还与模拟开关电阻网络连接；FPGA可编程门阵列模块与模拟开关电阻网络连接，用于控制模拟开关电阻网络的电阻大小。

[0030] 上述优选方案的有益效果为：在FPGA可编程门阵列模块的控制下，由DAC数模转换器以及增益可调的低噪声放大器共同调节补偿信号的输出幅度，增加了调节的精确度。

附图说明

[0031] 图1所示为本发明实施例一提供的一种感应测井直耦信号自动对消装置结构框图。

[0032] 图2所示为本发明实施例一提供的FPGA可编程门阵列模块与DSP主控模块功能示意图。

[0033] 图3所示为本发明实施例二提供的一种感应测井直耦信号自动对消方法流程图。

[0034] 图4所示为本发明实施例二提供的正交分离后复合信号的实部/虚部关系示意图。

[0035] 附图标记说明：1-发射线圈、2-接收线圈、3-信号放大滤波调理模块、4-ADC采样模块、5-FPGA可编程门阵列模块、6-相位补偿信号输出模块、7-增益调节控制模块、8-DSP主控模块、9-参考信号切换模块、10-加法运算电路模块；

[0036] 31-低噪声滤波放大器、32-带通滤波器、33-程控运放器；

[0037] 61-DDS数字频率合成器；62-DAC数模转换器；

[0038] 71-LC低通滤波器、72-低噪声放大器、73-模拟开关电阻网络；

[0039] S1-参考信号、S2-直耦信号、S3-二次感应信号、S4-补偿信号、S5-混合信号、S6-复合信号。

具体实施方式

[0040] 现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

[0041] 实施例一：

[0042] 本发明实施例提供了一种感应测井直耦信号自动对消装置，如图1所示，包括顺次连接的加法运算电路模块10、信号放大滤波调理模块3、ADC采样模块4、FPGA可编程门阵列模块5、相位补偿信号输出模块6、增益调节控制模块7。加法运算电路模块10的输入端分别与感应测井仪的接收线圈2及增益调节控制模块7的输出端连接。

[0043] 其中加法运算电路模块10用于对感应测井仪接收线圈2接收到的混合信号S5以及相位补偿信号输出模块产生的补偿信号S4进行叠加，形成复合信号S6；混合信号S5由接收线圈2接收到的直耦信号S2以及二次感应信号S3叠加而成；信号放大滤波调理模块3用于对加法运算电路模块10输出的复合信号S6进行信号放大滤波调理；ADC采样模块4用于对经信号放大滤波调理模块调理后的复合信号S6进行ADC采样，将模拟信号转换成数字信号；相位补偿信号输出模块6用于产生补偿信号S4，对混合信号S5中包含的直耦信号S2进行对消；增益调节控制模块7用于对补偿信号S4进行增益调节。

[0044] 信号放大滤波调理模块3包括顺次连接的低噪声滤波放大器31、带通滤波器32以及程控运放器33，分别用于对复合信号S6进行低噪声放大、带通滤波、程控放大处理。低噪声滤波放大器31的输入端为信号放大滤波调理模块3的输入端，与加法运算电路模块10连接。程控运放器33的输出端为信号放大滤波调理模块3的输出端，与ADC采样模块4连接。

[0045] 相位补偿信号输出模块6包括用于产生并输出补偿信号S4的DDS数字频率合成器61以及用于调整DDS数字频率合成器61输出幅度的DAC数模转换器62。ADC采样模块4的输入端与感应测井仪的发射线圈1连接，用于接收发射线圈1耦合输出的参考信号S1，参考信号S1与直耦信号S2同相位。当感应测井仪具有多个发射线圈1时，ADC采样模块4的输入端与感应测井仪的发射线圈1之间还应连接参考信号切换模块9，用于切换至当前处于发射状态下的发射线圈1耦合输出的参考信号S1。本发明实施例中，DDS数字频率合成器61采用相位可调的DDS芯片，该芯片具有输出相位设置功能，可以任意设置输出相位。

[0046] 增益调节控制模块7包括顺次连接的LC低通滤波器71与低噪声放大器72，分别用于对补偿信号S4进行低通滤波及低噪声放大处理。LC低通滤波器的输入端71为增益调节控制模块7的输入端，与DDS数字频率合成器61连接。低噪声放大器72的输出端为增益调节控制模块7的输出端，与加法运算电路模块10连接。增益调节控制模块7还包括连接于低噪声放大器72输入端的模拟开关电阻网络73，通过控制模拟开关的导通与关断，调节电阻网络Rs的大小，实现对低噪声放大器72增益的选择，进而控制补偿信号S4的幅度。

[0047] 本发明实施例提供的感应测井直耦信号自动对消装置还应包括DSP主控模块8，其通过数据总线及地址总线与FPGA可编程门阵列模块5通信连接，用于对整个感应测井仪进行控制，并对ADC采样累加后的数据进行DPSD相敏检波运算。本发明实施例中，DSP主控模块8由DSP主控制器芯片与相关外围电路组成。

[0048] 如图2所示，本发明实施例中，DSP主控模块8由DSP主控制器芯片与相关外围电路组成。FPGA可编程门阵列模块5采用Actel-FPGA，用于读取ADC采样模块4采样后的数据并累加，向DSP主控模块8上传累加后的数据，以及在DSP主控模块8的控制下，实现如下功能：

[0049] (1)控制DAC数模转换器62的输出；

[0050] (2)控制DDS数字频率合成器61的输出；

[0051] (3)控制模拟开关电阻网络73的电阻网络Rs的大小；

[0052] (4)控制参考信号切换模块9对参考信号S1的切换；

[0053] (5)调节程控运放器33的增益大小。

[0054] 为使本发明的技术方案更加清楚、完整，现以实施例二对实施例一提供的感应测井直耦信号自动对消装置所对应对消方法做详细介绍，旨在进一步说明实施例一提供的感应测井直耦信号自动对消装置的工作原理及过程。

[0055] 实施例二：

[0056] 本发明实施例提供了一种感应测井直耦信号自动对消方法，如图3所示，包括以下步骤：

[0057] A1、选通感应测井仪的某一发射线圈，使能发射信号输出至地层，并通知FPGA可编程门阵列模块控制参考信号切换模块切换到相应的发射线圈通道。

[0058] 在进行步骤A1之前，需进行必要的常规预处理操作，包括将DSP主控模块及FPGA可编程门阵列模块上电初始化以及控制DSP主控模块在主函数中等待开启发射工作指令等。

[0059] A2、控制感应测井仪的接收线圈接收来自发射线圈的直耦信号以及来自地层的二次感应信号，形成混合信号。

[0060] 发射线圈开启发射后，处在交变磁场中的地质层会产生涡流，并向外辐射二次感应信号，接收线圈接收直耦信号的同时也接收二次感应信号，区别在于直耦信号强度远远大于二次感应信号的强度，且两者相位相差90度。

[0061] A3、将混合信号与补偿信号在加法运算电路模块中进行叠加，形成复合信号。

[0062] 由于初次采集直耦信号和二次感应信号时并未对其进行直耦信号对消处理，因此补偿信号的初始值为0。

[0063] A4、对复合信号进行信号放大滤波调理，包括依次进行的低噪声放大、带通滤波以及程控放大处理。

[0064] A5、对参考信号及调理后的复合信号进行ADC采样，将模拟信号转换成数字信号。

[0065] A6、采用FPGA可编程门阵列模块读取并累加ADC采样后的数据，同时向DSP主控模块上传累加后的数据。

[0066] A7、对累加后的数据进行DPSD数字相敏检波运算，实现对复合信号的正交分离，得到复合信号与参考信号的相位关系。

[0067] 该步骤中DPSD数字相敏检波运算包括sin/cos乘法及累加运算、实部/虚部换算。将测量信号(复合信号)乘上对应同频率零相位的正弦波和零相位的余弦波，也就是进行傅立叶变换后就可以直接分离出实部和虚部信号，实部即为直耦信号，虚部即为二次感应信号，两者与复合信号相对于参考信号的相位角θ大小有关。上述运算构成了DPSD数字相敏检波运算，实现了对复合信号的正交分离，为后续的相位关系比较以及二次感应信号的提取提供了条件。

[0068] A8、比较复合信号相对于参考信号的相位角θ的大小，判断是否满足θ≥45°，若是则直耦信号对消结束，否则进入步骤A9。

[0069] 如图4所示，刚开始由于直耦信号远远大于二次感应信号，此时θ≈0°，当经过几次补偿信号对消后，直耦信号被消弱，θ迅速变大，当两者大小相当即θ≥45°时，说明直耦信号小于或等于二次感应信号，即可认为对消完成，无需将直耦信号完全消除，因此实现起来相对更为简单。

[0070] A9、控制DDS数字频率合成器输出补偿信号，经过增益调节(依次进行低通滤波与低噪声放大处理)后再与混合信号在加法运算电路模块中进行叠加，形成新的复合信号，返回步骤A4。

[0071] 其中补偿信号的输出幅度由DAC数模转换器以及增益可调的低噪声放大器共同控制，DAC数模转换器用来调节DDS数字频率合成器输出的补偿信号大小，而模拟开关电阻网络用来调节低噪声放大器的增益，进而控制补偿信号的输出幅度。

[0072] 上述步骤中参考信号与直耦信号同相位，因此复合信号相对于参考信号的相位角θ即为复合信号相对于直耦信号的相位角。同时由于补偿信号与直耦信号相位也相差180度，信号叠加后即可起到对消的作用。

[0073] 直耦信号对消完成后，即可提取正交分离后的二次感应信号，参与地层电导率的计算。

[0074] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。