感應(yīng)測(cè)井儀中相敏檢波電路的改進(jìn)研究

1、感應(yīng)測(cè)井儀中相敏檢波電路的改進(jìn)研究王楠(西安方元能源工程有限責(zé)任公司 油田測(cè)井分公司 33144隊(duì))【摘要】針對(duì)現(xiàn)行感應(yīng)測(cè)井儀中模擬相敏檢波器存在的缺點(diǎn)，按照數(shù)字信號(hào)處理的思路，提出了一種全新的數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)其信號(hào)處理流程進(jìn)行了嚴(yán)格的代數(shù)分析，給出了其實(shí)現(xiàn)框圖?！娟P(guān)鍵字】感應(yīng)測(cè)井儀 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)字相敏檢波Study On Phase Sensitive Demodulation InInduction Logging ToolWangnan(xian fangyuan energy engineering CO.LTD Logging branch 33144 )Abstr

2、actIn consideration of the problems existed in the PSD of induction logging tool at present,give a fully new way to design digitalization phase sensitive demodulation in induction logging tool based on digital signal process,and analysed its signal processing strictly by the way of mathematic ,and a

3、 graphics on how to realize it.KeywordsInduction logging tool , Digital signal process, Digitalization phase sensitive demodulation目前國內(nèi)生產(chǎn)中使用的各種感應(yīng)測(cè)井儀，其電路原理都大同小異。主要由以下幾部分組成：20KHZ信號(hào)發(fā)生器、測(cè)量信號(hào)放大器、參考信號(hào)放大器和相敏檢波電路，而相敏檢波電路是整個(gè)電子線路的核心。目前國內(nèi)使用的感應(yīng)測(cè)井儀中的相敏檢波電路都使用模擬器件，因此導(dǎo)致其分辨率低,不能進(jìn)行薄層分析;數(shù)字化程度低,信號(hào)處理過程中易受干擾,傳輸效率低; 導(dǎo)致無用

4、信號(hào)和有用信號(hào)的分離不夠徹底,從而影響測(cè)量精度;受井眼、侵入、圍巖等環(huán)境影響和趨膚效應(yīng)影響比較嚴(yán)重，因此所提供的地層電阻率不夠準(zhǔn)確,不能滿足測(cè)井發(fā)展的需要。尤其是目前的感應(yīng)測(cè)井儀中，把X-信號(hào)當(dāng)作無用信號(hào)予以消除，實(shí)際上X-信號(hào)既包含了發(fā)射線圈對(duì)接受線圈的直耦信號(hào)，也包含了電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)由于相位變化而產(chǎn)生的正交信號(hào)，前者時(shí)要剔除的無用信號(hào)，后者卻是與地層性質(zhì)有關(guān)的有用信號(hào)。數(shù)字化的檢波電路正是既利用了有用信號(hào)R-信號(hào)，也包含了傳統(tǒng)感應(yīng)認(rèn)為無用的X-信號(hào),對(duì)信號(hào)采用數(shù)字化的處理方式，大大提高了感應(yīng)測(cè)井精度。1 相敏檢波電路和感應(yīng)測(cè)井儀中的相敏檢波電路相敏檢波器（PSD）是一個(gè)有兩個(gè)交流

5、輸入和一個(gè)直流輸出的電路。一個(gè)交流輸入是被測(cè)量的信號(hào)，另一個(gè)交流輸入是參考信號(hào)，參考信號(hào)的頻率與測(cè)量信號(hào)相同。如圖1所示相敏檢波器比較測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的相位，輸出測(cè)量信號(hào)中與參考信號(hào)同相位的成分。其幅度正比于同相分量。感應(yīng)測(cè)井是利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量地層電導(dǎo)率的測(cè)井方法。其測(cè)量原理如圖所示：正弦波振蕩器發(fā)出20KHZ強(qiáng)度一定的交流電流激勵(lì)發(fā)射線圈。在任一時(shí)刻的發(fā)射電流iT可表示為：iT=I0e式中I0為電流幅度值； jt 為發(fā)射電流的角頻率。這個(gè)電流就會(huì)在井周圍地層中形成交變電磁場(chǎng)。設(shè)想把地層分割成許多以井軸為中心的地層元環(huán)，每個(gè)地層元環(huán)相當(dāng)于具有一定電導(dǎo)率的線圈。發(fā)射電流形成的電磁場(chǎng)就會(huì)在這

6、些地層元環(huán)中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其大小可由下式給出：diTeL=-M=-jMiT dt式中M為發(fā)射線圈和地層元環(huán)之間的互感。從公式不難看出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eL滯后發(fā)射電流，于是地層元環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流可表示為： 2iL=eLiL的大小取決于地層的電導(dǎo)率。這個(gè)環(huán)電流又形成二次交變電磁場(chǎng)，在二次電磁場(chǎng)的作用下，接受線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eR，即：eR=-M'diLdiT'=-M(-jM)=-2MM'iT dtdt式中M'為地層元環(huán)和接受線圈之間的互感。接受線圈電壓正比于地層元環(huán)電導(dǎo)率，且與發(fā)射電流iT反相?；ジ蠱M'取決于地層元環(huán)的位置和幾何尺寸。在接受線圈中除了二次電磁場(chǎng)

7、產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)外，發(fā)射電路電流iT所形成的一次電磁場(chǎng)也引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種由發(fā)射線圈對(duì)接受線圈直接耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為：dieX=-M''=-jM''iTdt式中M''為兩線圈之間的互感。直接耦合引起的感應(yīng)電勢(shì)與發(fā)射電流相位差，且和地層2電導(dǎo)率無關(guān)。因此接受線圈給出的信號(hào)包含了兩個(gè)分量：與地層電導(dǎo)率成正比的eR，它和發(fā)射電流相位差；與地層電導(dǎo)率無關(guān)的直耦信號(hào)eX，它和發(fā)射電流相位差。因此eR，2eX兩者相位差180度，相敏檢波的目的就是要檢出R-信號(hào)eR，剔除X-信號(hào)eX。 2 現(xiàn)行感應(yīng)測(cè)井儀中的相敏檢波電路及存在缺陷相敏檢波的目的是從

8、輸入信號(hào)檢出相位與參考信號(hào)相同的成分。從圖中可知，雙三極管Q1,Q2作為開關(guān)管使用，與輸入變壓器，輸出電路接成全波整流電路。參考信號(hào)作為控制信號(hào)加在Q1,Q2管的柵極和陰極之間。Q1,Q2管是否導(dǎo)通就取決于測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的相位關(guān)系。由于測(cè)量信號(hào)中的R-信號(hào)分量與R-參考信號(hào)同相，因此當(dāng)變壓器T-193,T191的同名端如圖所示，且在R-信號(hào)和參考信號(hào)的正半周時(shí)，Q1導(dǎo)通，負(fù)辦周時(shí)，Q2導(dǎo)通。于是在測(cè)試點(diǎn)TP1得到R-信號(hào)的全波整流波形，再經(jīng)過L1,C1，C2以及L-193,C1；L-194,C4組成濾波器，因此送到纜芯的是與R-信號(hào)大小成正比的直流電平。當(dāng)然，直流電平大小還和R-信號(hào)與R-

9、參考信號(hào)的相位有關(guān)，如果完全不同相，存在某一相位差，則輸出的直流電平會(huì)有所下降。對(duì)于測(cè)量信號(hào)中的X-信號(hào)，由于它與R-參考信號(hào)相位差180度，經(jīng)過相敏檢波后的輸出波形如圖所示，是正負(fù)相等的，通過濾波后，輸出直流電平為零。至此，通過相敏檢波，從測(cè)量信號(hào)中把R-信號(hào)分檢出來?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的相敏檢波以模擬器件為核心，因此相敏檢波中模擬信號(hào)存在受干擾大，尤其是受分布電阻，電容和電感的影響大，信號(hào)衰減大等缺點(diǎn)，最主要的是在相敏檢波中由于使用三極管以因而存在漂移以及管壓降從而極大的影響感應(yīng)測(cè)量精度。相敏檢波電路波形輸出圖3 改進(jìn)后的相敏檢波電路信號(hào)處理理論支持從上面可以看出傳統(tǒng)感應(yīng)儀中的相敏檢波電路是利

10、用了其認(rèn)為有用信號(hào)eR，對(duì)其認(rèn)為的無用信號(hào)eX進(jìn)行了剔除，并且在實(shí)現(xiàn)電路上始終采用模擬信號(hào)的處理方法，電路中其靈魂器件采用模擬器件三極管。其實(shí)在實(shí)際測(cè)量過程中eX并不是完全無用的信號(hào)，由于受地層電導(dǎo)率的影響，電磁波在地層中傳播時(shí)將有很大的幅度衰減和相位移動(dòng)，因而我們可以把感應(yīng)測(cè)井接收到的信號(hào)是量化為兩部分：具有實(shí)部(R-分量)和虛部(X -分量)的信號(hào).虛部分量中的很強(qiáng)的成分是“直接耦合”信號(hào),實(shí)部和虛部分量中均有反映地層電導(dǎo)率的信息。并不是象傳統(tǒng)的感應(yīng)測(cè)井儀摒棄了虛部信號(hào)。數(shù)字化的相敏檢波電路就是來徹底分離實(shí)部信號(hào)和虛部信號(hào)的。下面對(duì)其信號(hào)處理進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析：假設(shè)測(cè)量信號(hào)d(t)為:d(

11、t)=Dcos(t-)=Dcoscost+Dsinsint發(fā)射信號(hào)為：c(t)=Ccost；根據(jù)感應(yīng)測(cè)井原理，實(shí)部信號(hào)為：R(t)=eR=DRcos(t-)；虛部信號(hào)為：。其中X(t)=eX=DXcos(t-2) =2*20000，D,C,DR,DX,分別為接收信號(hào)、發(fā)射信號(hào)、實(shí)部信號(hào)、虛部信號(hào)的幅度。由于復(fù)合信號(hào)是由實(shí)部和虛部合成的,即d(t)=R(t)+X(t)，故有DR=-Dcos；DX=Dsin。假設(shè)采樣區(qū)間為T, 現(xiàn)對(duì)式在T上進(jìn)行付氏變換得： D()=d(t)e0T-jdt=d(t)costdt-jd(t)sintdt00TT D()=R'-jX'其中R'=d

12、(t)costdt=Dcos(t-)costdt=T/2Dcos 00TT又因?yàn)榈茫篋R=-Dcos，所以R'=-T/2DR，即就是DR=-2R'/D，同理可X'=TDX/2，DX=2X'/D由上面可見,只要把測(cè)量信號(hào)乘上對(duì)應(yīng)同頻率零相位的正弦波和零相位的余弦波,也就是進(jìn)行傅立葉變換后就可以直接分離出實(shí)部和虛部信號(hào)！這為數(shù)字相敏檢波提供了理論支持，在實(shí)際處理中對(duì)各信號(hào)采用離散化處理方法，即把積分變作求和處理。用現(xiàn)行流行的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片通過編程可輕松實(shí)現(xiàn)以上功能。4 改進(jìn)的相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)框圖，數(shù)字相敏檢波是采用A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字乘法器來實(shí)現(xiàn)的。輸入信

13、號(hào)x(t)和參考信號(hào)r(t)先通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）完成互相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)相敏解調(diào)。其原理圖如圖所示。5 改進(jìn)后的相敏檢波電路優(yōu)點(diǎn)及前景分析改進(jìn)后的相敏檢波電路采用數(shù)字信號(hào)處理方法，徹底的使有用信號(hào)和無用信號(hào)分離，大大提高了測(cè)量精度，完全摒棄了傳統(tǒng)的以模擬器件為核心的模擬相敏檢波，因此避免了傳統(tǒng)的相敏檢波中模擬信號(hào)受干擾大，尤其是受分布電阻，電容和電感的影響大，信號(hào)衰減大等缺點(diǎn)，最主要的是在相敏檢波中以前的三極管存在漂移以及管壓降從而極大的影響感應(yīng)測(cè)量精度。采用數(shù)字化的相敏檢波，完全避免了這個(gè)問題。下面對(duì)其可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行分析：從本文式的計(jì)算中可以看出，只要每

14、個(gè)采樣點(diǎn)都沒有相位誤差，正弦或余弦信號(hào)正負(fù)累計(jì)的誤差可以相互抵消，計(jì)算本身幾乎不產(chǎn)生誤差；反之，如果每個(gè)采樣點(diǎn)都有很大的相位誤差，正弦或余弦信號(hào)正負(fù)累積將產(chǎn)生很大的相位誤差。在電路實(shí)現(xiàn)上若采用DSP控制A/D采樣的起始，會(huì)由于軟件的定時(shí)不夠精確造成采樣點(diǎn)的累積相位誤差，對(duì)整個(gè)實(shí)部和虛部的計(jì)算結(jié)果造成很大誤差。比如說采用式中頻率為55MHz的DSP,其指令周期為18ns,則定時(shí)3.125s的誤差為正負(fù)18ns，假設(shè)由于這18ns的誤差引起相位變化x度，一個(gè)周期下來相位就變化了16x,到第16個(gè)采樣周期下來就是256x度的相位誤差，隨著采樣周期的增加，相位誤差的累積會(huì)越來越大，因此考慮采用FPGA來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的起始，因?yàn)镕PGA是通過硬件邏輯來控制A/D轉(zhuǎn)換起始的，產(chǎn)生的誤差只有硬件本身的邏輯延遲，而這個(gè)延遲最小可以控制到5ns，而且這個(gè)延遲不累加。目前就筆者所知，國內(nèi)感應(yīng)測(cè)井儀基本上采用的都是傳統(tǒng)的相敏檢波。西安石油大學(xué)目前已申請(qǐng)了名為一種感應(yīng)測(cè)井儀中的相敏檢波電路的專利，其專利號(hào)為（），筆者雖無法得知其設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)現(xiàn)方法，但可以肯定的是，其一定采用的是數(shù)字化的