测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现

作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
苏日建， 孔力， 石军 苏日建(华中科技大学控制系;郑州轻工业学院)， 孔力,石军(华中科技大学控制系)
石油机械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 2009,37(11) 2次
参考文献(4条) 1.Momo F.Ranieri G A.Sotgiu A Microcomputer based phase sensitive detector 1981(11) 2.Saniie J.Luukkala M Digital phase detection based on in-phase and quadrature sampling 1983(07) 3.Barone F.Calloni E.Difiore L High-performance modular digital lock-in amplifier 1995(06)
笔者通过对目前现有的反向采样法【ｌ Ｊ、正交 采样法【２】、四等分累加法【３１等数字相敏检波进行 深入研究，提出了一种基于数字信号处理的数字相 敏检波算法，并在所研制的井周，微电阻率成像测 井仪通过ＤＳＰ使用软件来实现Ｈ Ｊ，不仅简化了电 路的设计，而且提高了在低信噪比情况下提取有用
信号的精度。
１ 模拟相敏检波的原理
虿１印ｒｃｏｓ【２：玎∽一，）ｔ＋妒】＋
矿１＾ｃ。ｓ ２竹眠＋，）ｔ＋妒】
（３）
中断间隙完成上式所示的乘累加。在采集间隙充分 利用ＤＳＰ的资源进行计算，做到边采集边处理，充 分利用时间换取精度的原则，提高数字相敏检波的 计算精度。乘累加完成后，需要根据式（８）计算 信号幅值，算法流程见图２。
２．数字相敏检波算法
第一作者简介：王耀华，工程师，生于１９７４年，１９９９ 年毕业于陕西工学院机械设计制造专业，现攻读硕士学位， 主要从事石油钻机的设计研究工作。地址ｉ（７２１００２）陕西省 宝鸡市。电话：（０９１７）３４６２１９３。
收稿日期：２００９—０８—０４ （本文编辑王刚庆）
万方数据
测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
．≯
＞１４０
∥－０９９９
／
主Ⅲ
／
１１∈１００
婴８０
篙６０
舞４０
／
／／．／藿．慢；·扫慢 ；扫 最军最小南大值值磊一一
２０ ／——慢扫平均趋势线
Ｏ
图３慢扫模式下采集试验数据的拟合曲线 由图３可以看出，所拟合的曲线Ｒ２＝０．９９９， 说明９９．９％的数据是符合拟合曲线的。图４为试 验数据分布的残差图。由残差图可以直观地看出，
图５试验井采集数据成像图 从图５可以看出，在１：１０的显示比例下，在 井深８６ ｍ处使用数字相敏检波采集的数据绘制的图 像在细节上更清晰一些，图像中噪点偏小，图像的 分辨率及清晰度亦好于模拟相敏检波。说明采用数 字相敏检波采集的数据更有利于图像细节的分析。
４ 结束语
测量的试验数据可以得出，使用数字相敏检波可以 更加有效地抑制噪声，改善信噪比，使测量数据更 准确。与传统的模拟相敏检波相比，运用数字相敏 检波技术对湮没在强烈背景噪声下的微弱信号进行 提取，主要有如下优点：①软件取代了硬件，简化 了电路设计，降低了仪器成本；②充分利用ＤＳＰ 资源，可以方便而灵活地实现算法的优化；③由于 是软件实现的相敏检波，所以更易于维护。
在模拟相敏检波中，乘法和检波都是通过电路 来实现的，不仅降低了仪器的精度和分辨率，而且 电路本身也会引入一定的噪声。本设计中数字相敏 检波利用ＤＳＰ采用软件的方式实现对待测信号的 幅值计算，既简化了电路设计，又减少了噪声引 入。数字相敏检波的基本原理是对待测信号进行若 干周期采样，并将采样值与存储于数组中相应参考 值进行乘累加并取平均，求出其同相分量与正交分 量，然后计算出其幅值与相位。其数学描述如下：
。
’．．．．．．‘
．．
；ｎｌ℃·．．．．．＋·‘．
藕ｏＡ １面２曲３ｊｏ ０００。５６０ ６ｊｏ ７００ ８００ ９（）０１ ｏｏｏ 镁一ｏ．５ ０’ ‘·’等效极板输入信号／ｎＶ
一１．０，．．’
．’
图４试验数据分布的残差图
万方数据
一６２一
石油机械
２００９年第３７卷第１１期
残差的绝对数值都比较小，所描绘的点都在以０为 横轴的直线上下随机散布，说明测量的数据是良好 的，拟合曲线可以真实地反映实际信号的分布。经 过地面试验，在验证试验数据正确的情况下，对系 统进行井下试验测试。图５是根据长庆油田标准试 验井测得的试验数据绘制的图像。图像左侧为模拟 相敏检波采集数据绘制的图像（测量时所使用的 仪器标注为１００Ｋ一１０３３１０），右侧为数字相敏检波 采集的数据绘制的图像（测量时所使用的仪器标 注为４３０Ｋ一１５１８２７）。
［Ｉ］ 窦玉玲，管志川，徐云龙．海上钻井发展综述与展 望［Ｊ］．海洋石油。２００６，２６（２）：６４—６７．
［２］ 廖谟圣．海洋油气工业的发展与新一代的移动式钻 采平台［Ｊ］．中国海洋平台，２００２，１７（１）：１—３．
［３］ 朱江．海洋钻井设备综述［Ｊ］．中国海上油气 （工程），２０００，１２（６）：４４—４６．
模拟相敏检波的基本思想是利用参考信号与检 测信号进行相关操作，从而达到移频、窄带滤波、 信号检出等目的。它的实质即为乘法器，模拟相敏 检波电路的基本工作原理可以理解为整流、低通滤 波，工作原理如图１所示。
Ｒ枷（ｆ），］ 一ｐ母
图１模拟相敏检波的工作原理
其中，ｘ（ｔ）为被测信号，由有用信号并， （ｔ）和噪声信号ｒｔ（ｔ）构成；Ｒ（ｔ）为参考信号。 相敏检波正是利用这一技术实现这个功能的，对于
正弦信号，可以建立式（１）一式（３）的模型，它们分
别代表待测信号、参考信号及乘积函数。在设计中
选择参考信号与待测信号同频，再通过低通滤波
器，就可以将式（３）中的第ｌ项直流信号测出，
达到信号检测的目的。
菇（ｔ）＝ｅｓｃｏｓ（２《￡＋０）＋
ｅｎＣｏｓ（２，ｒｒｆ．ｔ＋ｔｐ）
（１）
ｒ（ｔ）＝ｅｒｃｏｓ（２竹ｆｒｔ）
参考文献
Ｍｏｍｏ Ｆ，Ｒａｎｉｅｒｉ Ｇ Ａ，Ｓｏｔ画ｕ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｐｈａｓｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅ：
Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ，１９８１，１４（１１）：１２５３—１２５６．
［２］
Ｓａｎｉｉｅ Ｊ，Ｌｕｕｋｋａｌａ Ｍ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ
图２数字相敏检渡算法流程
３ 试验测试
根据上述的数学模型，设计出相应的算法，为
验证算法的正确性，首先在地面利用信号发生器，
通过模拟盒（１ ＭＤ，衰减电阻）对极板电扣施加ｌＯ
ｋＨｚ的正弦信号，然后通过数据采集系统采集数据
后上传到地面系统。图３为慢扫模式下采集试验数
据的拟合曲线。
１８０
１６０ ｙ＝Ｏ．１６５ｘ＋０ｊ１７８
ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ［Ｊ］．
Ｒｅｖ。Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ，１９９５，６６（６）：３６９７—３７０２．
［４］ 苏日建，孔力，刘文中，等．微电阻率扫描成像
测井仪数据采集系统设计［Ｊ］．石油机械，２００９，
３７（１）：６２—６５．
第一作者简介：苏日建，副教授，生于１９７０年，现从 事嵌入式系统、智能计算等方面的研究工作。地址： （４３００７４）湖北省武汉市。电话：（０２７）８７５５９６１３。
一６０一 ．一检测诊断卜
石油机械
ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲ０１．ＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
２００９年第３７卷第１ １期
测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现木
苏日建１’２ 孔 力１ 石 军１
（１．华中科技大学控制系２．郑州轻工业学院）
摘要通过对目前现有的反向采样法、正交采样法、四等分累加法等数字相敏检波进行深入 研究，提出了一种基于数字信号处理的数字相敏检波算法，并在所研制的井周，微电阻率成像测 井仪通过ＤＳＰ使用软件来实现。数字相敏检波的基本原理是对待测信号进行若干周期采样，并将 采样值与存储于数组中相应参考值进行乘累加并取平均，求出其同相分量与正交分量，然后计算 出其幅值与相位。现场测井试验结果表明，使用数字相敏检波可以更加有效地拟制噪声，改善信 噪比，使测量数据更准确。
ｉｎ—ｐｈ鼬ｅ ａｎｄ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ Ｐｈｙｓ．Ｅ：
ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｍｍ，１９８３，１６（７）：６０６—６０７．
［３］
Ｂａｍｎｅ Ｆ，Ｃａｌｌｏｎｉ Ｅ，Ｄｉｆｉｏｒｅ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍ—
ａｒｌｃｅ ｍｏｄｕｌａｒ ｄｉｇｉｔａｌ
ｌｏｃｋ—ｉｎ
（２）
｝基金项目：国家８６３高新技术研究发展计划项目“先进测井技术与装备”（２００６ＡＡ０６０１０１）；湖北省自然科学基金项目（２００６ＡＢＡ０７２）。
万方数据
２００９年 第３７卷 第１１期
苏日建等：测井仪器中数字相敏检波算法的设计与实现
一６ｌ—
ｍ。＝虿１ ｅ—ｃ。ｓ ２订∽一，）￡＋口】＋
争，ｅ赫２钉＠＋，）ｔ＋日】＋
关键词 测井仪器模拟相敏检波 数字相敏检波 检测信号 参考信号 乘累加
０引 言
现代测井技术中需要检测的都是一些反映地质 构造的非常微弱的电信号或磁信号。这些信号相对 于地球物理环境这样一个复杂的电磁环境是极微弱 的，因此，把所需有用信号从中提取出来是数据采 集的关键。对于微弱信号的检测通常的方法是：① 降低噪声提高信噪比，即降低传感器及放大电路的 噪声；②采用合适的微弱信号检测技术和方法提取 出有用信号。但鉴于材料和制造Ｔ艺的限制，仪器 中器件的固有噪声降低是有一定限度的，因此研究 微弱信号检测技术是检测微弱小信号更重要的途 径。目前，基于相关原理的相敏检波方法是检测技 术中，特别是地质测量、通信仪器等使用最为有效 的方法，在测井仪器中使用的方法基本上都是基于 模拟相敏检波技术的锁相放大器（Ｌｏｃｋ－ｉｎ Ａｍｐｌｉ． ｔｉｅｒ ＬＩＡ）。（上接第５４页）源自参考文献３ 产品现状及市场前景
目前，ＬＩＦＴＢＯＡＴ钻修机已交付用户， 等待与 ＬＩＦＦＢＯＡＴ多功能平台的配装。
．此套海洋３ ０００ ｍ多功能钻修机用于我国第１ 艘海洋油气多功能作业船，能为多个海洋钻井作业 平台提供优质高效服务。
随着海洋油气资源开发力度的进一步加大，对 海洋修井及其他作业的需求会越来越多，对具有快 速拆卸、安装的钻修井设备需求会更加旺盛【３ Ｊ。 ＬＩｂ３＇ＢＯＡＴ钻修机在我国石油钻采装备研发史上是 一项具有里程碑意义的新产品，它的成功研发为我 国海洋石油开发提供了有力支持。
收稿日期：２００９—０３—２４ （本文编辑王刚庆）
通过地面的模拟试验及标准井的井下试验，由
·Ｓ芒·§￡－Ｓ芒·ＳＥ·ＳＥ·ＳＥ·Ｓ芒ｄ蔓·ＳＥ·Ｓ￡－昱Ｅ·ＳＥ一￡ｄ￡·ＳＥ·Ｓ￡·Ｓ曼．宣￡·ＳＥ·Ｓ芒·Ｓｇ础￡－宣￡．昱芒ｄ￡·昱芒ｄ芒．爱芒ｄ芒·ＳＥ．毫蔓ｄ￡·昱￡ｄ芒ｄ芒一曼．ｓ￡．昱￡ｄＥｄ￡呐ＥｄＥｄ芒．昱ＥｄＥ一芒
如）＝叩。ｓ（警＋引＋ｅ．ｃｏｓ（２ｎ—ｆｎｘｔ＋妒）
（４）
Ｃ，（ｎ）＝ｃｏｓ ｌ ２ｎｆｒｌＴ／Ｍ ｌ
（５）
Ｓ，（ｎ）＝ｓｉｎ Ｉ ２斫∥Ｍ Ｉ
（６）
口＝ａｒｃｔａｎ［壶萎层。（乃）．ｓ，（ｎ）】÷
睦以川如）】
（７）
Ｐｉ＝２ｆ【去薹Ｅ，（ｎ）ｃ，（ｎ）】２＋
【ｉ１鲈Ｋ－Ｉ㈤ｓ如）】２｝２ （８）
其中，石（ｎ）为含有噪声的待测信号采样值； Ｃ，（尼）为对应的参考信号余弦分量；Ｓ，（ｎ）为 对应的参考信号正弦分量，Ｚ＝，；Ｍ为每周期采 样次数，是２的幂函数，Ｋ为采样次数，一般为Ｍ 的整数倍。由上面的描述可知，数字相敏检波最主 要的操作就是乘累加和开方，而ＤＳＰ最大的优势则 在于其单指令的乘累加操作。因此，系统使用辅助 脉宽调制模块产生模数转换模块ＡＤ７６７１的转换触 发信号，转换完成后ＡＤ７６７１产生中断信号，ＤＳＰ 在中断处理中通过数据总线读取转换结果，并利用
4.苏日建.孔力.刘文中 微电阻率扫描成像测井仪数据采集系统设计[期刊论文]-石油机械 2009(01)
本文读者也读过(9条) 1. 孔力.石军.徐方友.刘家玮.KONG Li.SHI Jun.XU Fang-you.LIU Jia-wei 数字相敏检波技术在微电成像测井仪 中的应用[期刊论文]-仪表技术与传感器2010(2) 2. 王芳.孟繁英 阻容式敏感元件测试中正交法的研究[期刊论文]-物理实验2004,24(3) 3. 范峥.刘孟华.陈丙炎 基于软相敏检波算法的电感传感器测量电路的设计[期刊论文]-河南机电高等专科学校学 报2006,14(4) 4. 叶选.刘淑娟.李界家 双变量查表程序设计[会议论文]-2008 5. 肖国志 PTC热敏电阻在自熟式粉丝机上的应用研究[期刊论文]-湖南农机2005(6) 6. 蔡佩佩.毕志毅.杨晓华.王荣军.马龙生 光外差磁旋转速度调制光谱对离子分子光谱的研究[会议论文]-2000 7. 何华 "居里发动机"的实验新探[期刊论文]-实验教学与仪器2010,27(3) 8. 胡连柱.孟凡文 差变的零点残压误差及其补偿技术[期刊论文]-电工技术2003(4) 9. 李晖云.赵辉.丁易.吴隽.张永俐 Co/Pt多层膜的调制结构对磁光性能的影响[期刊论文]-贵金属2000,21(2)