声波测井仪井下数字滤波器设计与实现

XMAC―II测井仪测井原理及参数设置作者：吴昊来源：《世界家苑·学术》2018年第07期摘要：本文在简单介绍XMAC-II测井仪原理及结构的基础上，重点阐述XMAC-II测井仪在实际测井中的参数选择和设置。

关键词：XMAC-II；单极；偶极；交叉偶极1 XMAC-II测井仪组成结构及工作原理概述XMAC-II交叉偶极子阵列声波测井仪（The Multipole Array Acoustilog Instrument）是单极阵列与偶极子阵列的组合。

1678BA发射阵列由两个交叉摆放偶极声源，以及在偶极声源上下各有一个单极声源组合而成。

1678MB接收阵列由8组32片状偶极接收传感器组合而成。

当测井系统选择了偶极交叉测井模式时，由1677EA产生采集控制信号，激发1678FA激励电路产生发射器激励高压，使得单极发射器、偶极发射器按顺序依次工作，产生声源。

1678MB上的接收阵列采集所感应到的声信号。

仪器工作是分时进行的，当X方向（TX3）偶极源发射时，X，Y方向接收器分别接收到信号：XX、XY；当Y方向（TX4）偶极源发射时，X，Y方向接收器分别接收到信号：YX、YY，因此每组接收器在每一记录点可记录4个偶极波形。

当上单极发射源（TX1）工作时，在1678MB上只有R1、R2、R3、R4四组接收器工作，记录四道全波波形用来计算地层纵波时差。

当下单极发射源（TX2）工作时，在1678MB上八组接收器工作，记录八道全波列波形。

因此，在仪器测量的每一个记录点，仪器共记录4*8+4+8=44个波形。

2 交叉偶极子声波数据采集的参数设置DISPLAY：显示参数表的状态。

该选项为下拉菜单，其中提供了四个选择：MASTER：显示磁盘中该控制表的各项参数。

UPLOAD（上传）：显示最新上传到地面的仪器的各项参数表。

EDIT（编辑）：用户编辑的参数表，编辑的参数表可以用来下传到仪器中。

SAVED（存储）：用来将参数表存储到磁盘中。

过钻具多极子阵列声波测井仪采集模块方案设计与实现在油田勘探开发过程中,声波测井是一种常用的测井方法,但随着复杂井、大斜度井、水平井和超深井的增加,常规电缆声波测井手段不再适用。

鉴于此,结合新的适应于复杂井的过钻具测井手段,研究开发高精度、低噪声、小尺寸的过钻具多极子阵列声波测井仪具有十分重要的工程意义。

本文针对过钻具测井仪器空间小、井下数据存贮、电池供电的特点,以及多极子阵列声波测井频段宽(300Hz-30kHz),信号动态范围大(176μV-1.76V)的声波信号特征,开展过钻具多极子阵列声波测井信号采集电路的研发工作,提出了电路设计方案,开发了实用的采集条带电路,主要研究如下:1.针对声波接收换能器的频率响应特性,本文详细分析了基于电荷放大以及电压放大两种接收电路的优缺点,最后根据换能器检测声波信号就近数字化的设计要求,考虑井下的高温工作环境,采用了仪表放大电路作为前置放大电路的设计方案。

2.为更好地降低电路设计噪声,提高仪器的测量动态范围,本文根据电路噪声理论分析方法,仔细分析对比各器件噪声等技术指标,并结合ADI与TI噪声分析软件,进行信号调理电路噪声的理论分析,为器件的选择和电路的设计提供了理论依据,最终完成相应的信号调理电路设计与实现。

3.根据对采集声波信号幅度特征和频率特征的分析,提出基于18位数模转换芯片AD4007的声波信号数字化的设计方案,增加了采集信号的动态范围,提高了量化精度;为了提高采集板的集成度,采用AD菊花链串行数据传输的连接方式,大大减少了PCB板上的布线和板间的连线。

为了提高电路的集成度和控制的可靠性和灵活性,采用FPGA+片外SRAM的采集控制结构,并实现了与主控电路基于LVDS接口的高速数据传输。

4.为验证设计电路的性能,在实验室进行了噪声、信号以及高温测试。

实测结果表明:12路通道采集电路功耗小于1.8W,噪声均方根值小于10μV,信号测量动态范围达98dB,单通道采集电路面积仅为70mm×19mm,高温特性达160℃。

数字高分辨率声波时差井下仪器研制大庆测井公司地球物理研究所赵克壮摘要在高分辨率声波井下仪器研究生产的基础上，结合油田测井实际需求，研制了数字高分辨率声波时差测井仪井下仪器。

文章论述了仪器的设计原理，关键技术点，达到的指标和现场使用效果。

关键词：数字高分辨率声波时差井下仪器1、引言在常规裸眼井声波测井中，我们所要得到的信息主要是地层的准确时差。

目前的测井方法是将声波全波列传输到地面，然后解算出声波时差。

在声波传输到过程中需要占用缆芯、高速AD、时间等很多资源。

在测速为600米/小时的条件下，数字传输高分辨率声波全波列，要求传输速率在800Kbps以上。

目前所用的仪器大多是在四选一电路的控制下，每次接收到的四个信号只有一个传送到地面。

发射四次对四个源距作一完整记录（一个循环）。

采用这种方式采集因仪器时差记录时状态不一致，而且经电缆传输后的波形均有不同程度的畸变，而使测量精度降低。

由于一次只能够上传一列波，因此，测得的时差无法与目的层深度严格对齐。

因此，我们采用了在井下解算时差，将解算后的时差值，传输到地面测井系统的方法。

将声波信号在井下由模拟信号转变成数字信号，可以避开电缆的干扰。

在时差采集时，应用的是原始放大的模拟信号，减少了采集误差。

四路时差信号同时采集，可以使测得的时差与目的层严格对齐。

提高了的测量精度。

2、仪器工作原理高分辨率声波测井仪是测量滑行纵波在地层中的传播速度。

为了提高分辨率而又不增大测量误差，采用小间距和对同一地层多次测量取平均值的方法。

该仪器有单发射器或双发射器和四个接收器组成，可同时录取高分辨率和普通补偿声波两条曲线。

对0.1m的薄层有时显反映.当地层厚度大于0.16m时,用该仪器所测资料计算的孔隙度与岩心分析比较,平均误差为1.3pu。

这样不仅能解决薄层的划分,岩性的判别、孔隙度计算等问题,还能扣除厚储集层中的泥质和钙质夹层,为薄油层的勘探和开发、厚油层的精细描述提供可靠的依据.2.1仪器工作原理如图1所示，高分辨率声波测井仪是由一个发射器和四个接收器组成，从发射探头F到接收探头J1、J2、J3、J4的距离分别为128cm、112cm、96cm、80cm。

数字滤波器在测井采集系统中的应用摘要:常规的模拟滤波器因其滤波系数固定､依赖硬件等特点,已不能适应测井信号处理技术的发展趋势,局限性很明显｡数字滤波器具有线性相位特性好､精度高､工作状态稳定等特点,符合测井信号处理的新要求｡以电极系信号滤波处理为切入点,分析了电极信号的滤波特点,提出了一种利用FPGA实现低通数字滤波器的方法｡介绍了FIR滤波器的技术原理､各种参数确定及其实现过程，以期提供参考。

关键词:模拟滤波器;数字滤波器;FPAG;串并结合1模拟滤波器概述数字滤波器是按照程序计算信号,达到滤波的目的｡通过对数字滤波器的存储器编写程序,就可以实现各种滤波功能｡对数字滤波器来说,增加功能就是增加程序,不用增加元件,不受元件误差的影响,对低频信号的处理也不用增加芯片的体积｡用数字滤波方法可以摆脱模拟滤波器被元件限制的困扰｡数字滤波器是一个离散时间系统(按预定的算法,将输入离散时间信号(对应数字频率)转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置)｡应用数字滤波器处理模拟信号(对应模拟频率)时,首先须对输入模拟信号进行限带､抽样和模数转换｡数字滤波器输入信号的数字频率(2π*f/fs,f为模拟信号的频率,fs为采样频率,注意区别于模拟频率),按照奈奎斯特抽样定理,要使抽样信号的频谱不产生重叠,应小于折叠频率(ws/2=π),其频率响应具有以2π为间隔的周期重复特性,且以折叠频率即ω=π点对称｡为得到模拟信号,数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换､平滑｡数字滤波器具有高精度､高可靠性､可程控改变特性或复用､便于集成等优点｡数字滤波器在语言信号处理､图像信号处理､医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用｡1测井采集中的滤波器1.1模拟滤波器大庆油田的数控测井系统从90年代中后期发展了两代,分别为DLS数控测井系统和慧眼1000多功能数控测井系统｡电极系测井是众多测井项目中比较重要的一个测井项目｡在慧眼1000测井系统中,电极系采集板卡要完成3道电极系电压信号､1道下井电流取样信号｡电极板卡3道电压道和1道电流道的信号预处理工作原理基本相同｡采集到的模拟电极信号中混有大量的噪音､干扰信号,不能被直接识别｡所以,井下上来的差分测量信号经变压器隔离,进行信号程控放大,同时把差分信号变为单端对地信号;再经一阶高通滤波把高频干扰去除;然后进行相敏检波,把交变方波信号变为直流信号;采样/保持电路可以去掉方波上下边沿处的抖动,使输出信号比较平滑;最后经低通滤波后送51单片机和AD构成的采集单元｡1.2数字滤波器如今,国内的测井数据采集系统发展到了成像测井时代｡所以,新一代慧眼2000测井数据采集系统自然会采用最新的数字滤波器来进行信号处理工作｡在新系统中,选用的FPGA芯片为XC3S500E系统门数500K,主要包括4个DCM,20个18×18乘法器,360KB块RAM容量,73KB分布式RAM｡FPGA有诸多优势,主要有丰富的逻辑资源和时钟资源,片内大量的RAM和丰富硬核资源(乘法器和块RAM等),远高于其他器件的运行速度和高效的并行处理能力｡FPGA很容易实现数字信号处理中的滤波､FFT､编解码等需要大量数据计算的功能,而且程序采用并发执行处理结构,相对传统的串行运算为主导的DSP处理器,同频率下,运行速度提高很多倍｡一片XC3S500E芯片就可以实现深度处理､脉冲计数､低速采集､逻辑产生､数字滤波模块､数据缓存､通信接口等功能,每个功能可以同时独立工作,充分体现FPGA的并行处理能力｡慧眼2000信号预处理工作原理与慧眼1000信号处理原理基本类似｡不同之处在于低通滤波器设计,硬件上保留了原来的模拟滤波器,在XC3S500E内部构建了1个数字滤波器｡数字滤波器的最大优势在于可通过改变程序内部参数,就可轻松实现低通､高通､带通等常用滤波器的设计,而且能精准处理低频率信号｡2数字滤波器的实现数字信号处理系统中,FIR数字滤波器属于非递归(no-recursive,NR)型滤波器,是一个非常重要的信号处理单元｡其信号输出只和当前及以前的输入信号有关,最大的优点在于幅频特性是可以根据使用需要任意设计的,拥有严格的线性相位特性,并且可以稳定地工作,基于这些特性选择FIR数字滤波器测井信号数据的处理｡2.1FIR数字滤波器从时域上来说,数字滤波的过程就是输入卷积h(n)一个冲激序列x(n),即:Y(n)=h(n)×x(n)（1）设计成电路如式(2)所示｡(2)式中:y(k)为k时刻输出;x(k)为输入;a(n)为滤波器的系数序列｡电路中的低通､带通､高通等数字滤波器,都是输入系数序列的卷积,不同的滤波器拥有不同的系数｡滤波器系数n,直接影响乘加运算量,存储空间大小｡所以,δp(通道偏差)､δs(阻带偏差),fp(通带边缘频率)､fs(阻带边缘频率)和Fs(采样频率),决定着滤器的性能,所以必须合理选择各种滤波参数｡2.2MATLAB实现FIR数字滤波器数字滤波器的设计过程,实际上就是计算滤波器系数的过程,计算系数运算量很大,须要采用软件辅助,多采用MATLAB进行滤波器设计辅助｡MATLAB软件fdatool工具中提供了很多产生低通､高通､带通等滤波器的方法函数及数字化的函数｡电极信号属于低频信号,其滤波方式只能是低通滤波器方式｡用fdatool工具进行数字滤波器设计,电极信号的低通滤波器参数为δp=1dB,δs=30dB,fp=1Hz,fs=5Hz和Fs=100Hz,n=39｡滤波器的性能参数满足目标要求后,就可以“完成”设计工作了｡滤波器设计成功后,MATLAB软件将依据设计者设置的参数调用代码库中的滤波器构件,生成目标程序代码,并以Verilog文件保存在系统指定的文件中;下步工作,就需要在FPGA上实现了｡2.3FPGA模块中数字滤波器的实现使用MATLAB软件设置滤波器系数之后,剩下的就是在FPGA中完成这个设计了｡通常FPGA用串行结构､并行结构､分布式结构､转置型结构､基于FFT算法结构等,来完成FIR数字滤波器的构造,并且这些结构还可以派生出其它类型的结构｡程序设计时采取了一种折中方案,整个测井系统的滤波器有低通､高通､带通等类型,为了保证测井数据信号数字滤波器结构的统一性,既要满足速度要求又要不能占用太多资源｡利用的查找表结构方式,完成了一个基于串并结合分布式算法的低通滤波器的程序设计,如图1所示｡图1串并结合的分布式结构串行结构对输入量逐个查表,当FIR滤波器的滤波阶数很高时,对存储查表ROM的消耗会变得十分庞大｡并行结构的优势在于速度,对输入量同时查表,需要大量的ROM存储,会消耗大量硬件资源｡串并结合实现了在速度和规模上的协调,满足了信号处理的要求｡在程序设计中采用模块化和参数化的设计思想,简化了设计过程,并将设计结果进行了仿真验证｡整个FPGA程序采用的就是模块化的设计思想,各子模块既独立､又联合,分别接受主程序的调用｡3结论相对与常规模拟滤波器,采用数字滤波器设计优势很明显,不但可以节省大量电路原件､简化电路､提高可靠性,而且高通､带通､低通等数字滤波器灵活可变,可通过软件程序调整参数｡随着信号处理技术持续发展,数字滤波器已经不是早期传统模拟滤波器的替代品,而是数字信号处理系统中的必备模块,起到的作用是不可替代的｡自适应数字滤波技术,则是日后测井数据信号处理需要重点关注的方向｡参考文献[1]邱天爽,郭莹.数据处理与信号分析[M].北京:清华大学出版社,2015.[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].第5版.北京:高等教育出版社,2015.[3]闫石.数字电子技术基础[M].第6版.北京:高等教育出版社,2016.。

声波测井仪器的原理及应用单位：胜利测井四分公司姓名：王玉庆日期：2011年7月摘要声波测井是石油勘探中专业性很强的一个领域。

它是一门多学科的应用技术，已经成为油田勘探、储量评估、油气开采等方面不可缺少的工具。

声波速度测井简称声速测井是利用声波在岩石中传播的速度来研究钻井剖面的一类物探方法，其方法是测量滑行波通过地层传播的时差 t（声速的倒数，单位us/ft）。

目前主要用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等方面，是主要测井方法之一。

数字声波测井仪，其中包括66667声波数字化通用短节和6680声波探头2部分。

能完成声波时差测井和水泥胶结测井，能与SL6000型地面系统和进口的5700型地面系统相配接。

正交多极子阵列声波测井(XMACII)将新一代的偶极技术与最新发展的单极技术结合在一起，提供了当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法。

当偶极子声源振动时，使井壁产生扰动，形成轻微的跷曲，在地层中直接激发出横波和纵波，根据正交多极子阵列声波资料得出的纵横、波速度比可识别与含气有关的幅度异常。

关键词：数字化；声波时差；声波变密度；阵列声波；声波全波列；目录第1章前言 (1)第2章岩石的声学特性 (2)第3章数字声波测井原理及应用 (3)3.1 数字声波测井原理 (3)3.2仪器的工作模式 (5)3.3时差计算 (5)3.4 数字声波测井仪器的性能 (6)3.5 SL6680测井仪器的不足 (7)3.6数字声波仪器小结 (7)第4章正交多极子阵列声波测井 (8)4.1 XMACII多极子阵列声波测井原理 (8)4.2 XMACII多极子阵列声波仪器组成 (9)4.3 XMACII多极子阵列声波的使用及注意事项 (10)4.4 应用效果及结论 (14)第5章声波测井流程及注意事项 (15)5.1 声波测井流程 (15)5.2 注意事项 (16)参考文献 (17)第1章前言第1章前言声波测井是近年来发展较快的一种测井方法。

数字声学滤波器设计与实现在现代音频处理和通信系统中，数字滤波器已经成为不可缺少的部分。

数字滤波器的主要功能是对信号进行采样、抽样和滤波处理，以改变信号的频率响应、时域响应和幅频响应，从而实现信号的处理和控制。

数字声学滤波器是一种特殊的数字滤波器，主要用于音频信号的处理和增强，是音频处理和自动化系统的核心部分。

本文将介绍数字声学滤波器设计和实现的基本原理、方法和技术，以及实用案例和开源资源。

数字声学滤波器的基本原理数字声学滤波器的基本原理是通过数字信号处理技术对音频信号进行滤波处理，以达到改变频率响应、响应时间和声音品质的目的。

数字声学滤波器可以按照采样率和滤波器类型进行划分，在采样率方面，数字声学滤波器可以分为低采样率和高采样率两种；在滤波器类型方面，数字声学滤波器可以分为升降滤波器、滤波器阵列和单板滤波器等多种类型。

不同类型的数字声学滤波器在声音处理和音质控制方面各具特点。

数字声学滤波器的设计方法数字声学滤波器的设计方法主要有两种，一种是自适应滤波器设计法，另一种是频率域设计法。

自适应滤波器设计法适合处理非线性系统和时变系统的信号，并且能够根据环境变化和用户需求动态调整滤波器参数；而频率域设计法适合处理线性系统和稳定系统的信号，能够快速准确的分析和掌握声音的频率、声压和共振等特性。

数字声学滤波器的实现技术数字声学滤波器的实现技术一般采用DSP芯片、FPGA芯片和嵌入式系统等数字电路和计算机技术，其中DSP芯片是当前数字声学滤波器的主要运算和控制核心。

DSP芯片具有高性能、低功耗和可编程等优点，可以实现高速运算、多任务处理和实时调整等功能，并且配合先进的软件开发工具，DSP芯片可以方便灵活地实现数字声学滤波器的设计和应用。

数字声学滤波器的实用案例数字声学滤波器的应用广泛，例如，在音频处理和增强领域，数字声学滤波器可以对噪声、回声和失真等信号进行滤波处理，从而改善音质和通讯效果。

在音乐制作和音效设计领域，数字声学滤波器可以实现音乐调谐、音色变换和音效增强等高级音频处理功能，为音乐家和录音师们提供了极大的创作和创意空间。