纳伏级微弱信号的检测理论与实现测试计量技术及仪器专业毕业论文docx.docx

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纳伏级微弱信号的检测理论与实现测试计量技术及仪器专业毕业论文

中文摘要

论文题目：

纳伏级微弱信号的检测理论与实现专业：

测试计量技术及

硕士生：

张丽萍（签名）

指导教师：

张家田（签名）

摘要

过套管地层电阻率测井是通过测量套管上三个电极间的微小电压降来计算地层的漏电流，进而计算出地层的视电阻率。

套管三个电极上的电压降是微伏级信号，其二阶差分电压为纳伏级极微弱信号。

微弱信号检测是测量技术中的高尖端技术，由于它能测量传统观念认为不能测到的微弱量，所以得到了迅速的发展和重视。

本文分析了微弱信号检测的各种方法，采用了相敏检波算法来检测过套管地层电阻率测井的微弱信号。

首先，通过仿真来验证相敏检波算法在过套管电阻率测井微弱信号检测中是可行的。

其次，本文给出了相敏检波的具体算法，以及通过微弱信号数据处理软件，进行算法移植和联机调试。

本文还介绍了抗干扰技术，并设计了带通滤波器。

实验结果表明：

在强噪声背景下，采用相敏检波方法，可以很好地抑制噪声，实现小信噪比下的微弱信号幅度的精确测量。

关键词：

过套管测井微弱信号检测相敏检波数字滤波论文类型：

基础研究

（本文得到中国石油天然气集团公司中青年创新基金项目（编号：

05E7039）的资助）

Subject：

TheTheoryandImplementationofNanovoitWeakSignalSpeciality：

Measustrument

Name：

ZhangInstructor：

Zhang

ABS’I’RAC。

l’

Casedholeformationresistivityloggingtechnologyistomeasurethemicro—voltageofthethreemetricalelectrodesofcasedholetocomputecurrentleak-currentandtheresistivityoftheearth．Thevoltageofthemetricalelectrodesismicrovoltandthemajorworkofthispaperistocompletethedetectionoftheextremelyweakvoltagesignalofthemetricalelectrodesofthecasedhole，butitssecondvoltagedifferenceisnanovolt．

Weaksignaldetectionisoneofthemostadvancedtechniques．BecauseitcallmeasurethefeeblenesssignalwhichWasnotconsideredbytraditionalconception·s0itgetfastdevelopmentandrecognition．

Inthispaper，theauthoranalyzesthemethodofweaksignaldetection，anda

pbase．sensitivedetectionmethodofweaksignaldetectionWasadopted．Firstly，thesimulation

experimentswhichwereeducedbyphase-sensitivedetectionofcasedholeformation

resistivityalepresented，anditvalidatesthatitisfeasibleunderthisenvironment．Secondly，thispapershowsthematerialarithmeticofphase—sensitivedetection，andthroughthedataprocessingsoftwareofweaksignal，andthenusearithmetictransplanttoaccomplishonlinedebugging．Inthispaper,theauthorintroducestheanti-interferencetechnologyanddesignsthe

band—pfissfilter．

Theresultsindicatethatinstrongnoisesenvironment，thephase—sensitivedetection

methodCanrestrainthenoiseprimelyandrealizetheprecisemeasurementoftheweak

signal’SscopeundersmallSNR．

Keywords：

Casedholelogging，Weaksignaldetection，Phase-sensitivedetection，DigitalfiIter

Thesis：

FundamentStudy

（ThepaperissupportedbyInnovationFoundmionofChinaNationalPetroleumCorporation（No：

05E7039））

111

学位论文创新性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

论文作者签名：

箍鱼诲

学位论文使用授权的说明

本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。

学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到《中国学位论文全文数据库》并通过网络向社会公众提供信息服务。

本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。

论文作者签名：

毯丞盗

导师签名：

·注：

如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出（含解密年限等）。

第一章绪论

1．1引言

从二十世纪三十年代开始，国外就有人开始研究套管井电阻率测井技术。

从套管外测井最初构想至今已经过去六、七十年了，精确可靠地测量套管井地层电阻率现在不仅

成为可能，而且可以成为一项标准测井服纠¨。

涉及测量套管外地层电阻率有关的大量

设计和测量难题已被解决。

过套管测井仪器通过测量套管上的微小电压降，从而达到测

量地层电阻率的目的。

目前在许多研究和应用领域中，都涉及微弱信号的精密测量，在过套管电阻率测井中也不例外。

微弱信号检测是测量技术中的高尖端技术，由于它能测量传统观念认为不能测到的微弱量，所以得到了迅速的发展和重视。

本章首先简单介绍过套管电阻率测井的发展及原理，之后讨论微弱信号检测的概念及其发展，最后提出本课题的主要任务和本文的内容安排。

1．2过套管电阻率测并的发展及原理

1．2．1过套管电阻率测井的发展

过套管测井早在1939年国外就开始有人研究，但限于当时技术条件，研究进展缓慢。

直到近十几年来才有了较快的研究进展【2小4】。

1939年L．M．Alpin提出了“在套管井中进行电测的方法”，见专利：

U．S．No．56026。

该专利提出一种测量泄漏方法，但限于当时的技术条件，存在以下缺陷使其研究未能实

现：

（1）不能确定套管厚度和套管电导率的变化对测量结果的影响。

（2）电极距离选择不当，与理想的电极距差别很大，对结果产生重大影响。

（3）原理上看只获得地层相对电导率，不能测得绝对值。

Alpin没认识到：

为了消除电场畸变对电压测量结果的影响，电流电极与测量电极

之间必须保持一定距离。

1948年W．H．Stewart'‘电测方法和仪器”，见美国专利：

U．S。

No．2，459，158。

该专利提出另一种测量泄漏方法，但仍存在以下缺陷未能实现：

（1）电流电极和接收电极之间的距离选择不当，对测量结果产生很大影响。

（2）不能确定出套管厚度和套管电导率的变化对测量结果的影响，所以也无法校

正该影响。

西安石油人学硕士学位论文

（3）在该方案中，每段套管的电流是分别测量，放大器增益、套管电阻率、电源不稳会影响测量结果，每次测量结果不同。

（4）泄漏电流小，当时的电子技术不可能支持微弱信号的测量。

1986年PML公司（PMLacquisitionbyBA—Q41997）开始研制仪器。

1989年前后国外发布3篇专利。

1990年前后（Kaufman（1990）），先后研制出第一、第二代样机，均为点测，第二代为10秒／点。

1994年Kaufman等人先后提出了传输线方程简化模型和曲面积分方程模型，奠定了方法研究的基础。

2000年BakerAtlas（阿特拉斯）公司研制出现场测试样机TCRT（ThroughCasingResistivityT001）。

1999年，Schlumberger（斯伦贝谢）公司推出第一代的CHFR（过套管测井）仪器。

2001年推出第二代CHFRPlus版测井仪器。

差别提高测速l倍。

截至2003年该仪器已测多

井。

近期我国的大庆、冀东、吉林、新疆、华北等油田进行了规模测井试验应用。

测试结果表明，该方法在解决套管井中的油层动态监测问题方面发挥重要作用。

而我国国内在该领域也有一定的发展。

1996年西安石油大学发表了关于采用纯电阻网格法模拟过套管电阻率测井方法的

文章，并完成对相关资料的调研关注工作。

1996年江汉石油学院总公司青年基金项目立项。

1997年北京石油大学和江苏油田进行了简易物理模型试验，在测井技术上发表文

章。

1998年原江汉测井研究所（CPL技术中心）开展了部分调研工作，利用套管井测井传输线模型，考察了测井响应。

2005年CNPC基础项目开始立项研究。

1．2．2过套管电阻率测井的原理

通过金属套管测量套管附近的地层电阻率是目前测井领域中研究的热点。

要测量套管外地层电阻率【5嗡q】，必须通过井下仪器向地层发射低频电信号。

尽管金属套管屏蔽大部分电信号，但仍有-'b部分通过金属套管流进地层中。

所以仪器的测量电极和在地面的回路电极之间仍有一电位差，若能检测通过△z长度范围内的金属套管流入地层的泄漏电流AI，就可按（1．1）式计算地层的视电阻率15哂一IT。

成=尬三（1-1）

式（1．1）中：

l【_无量纲常数；△z—C和E电极距离的二分之一；肛套管测量电极

处的参考电位；厶卜地层漏电流。

第一章绪论

测量套管外地层的关键是如何测量通过金属套管流进地层中的微小电流。

为了求出地层电阻率，要求有三种测量模式【3】’分别如图1．1中a、b、c三图所示：

图l-1过套管电阻军测量原理

（a）参考电压模式（b）套管电阻模式（c）泄露电流模式

第一阶段，如图1一l（a）所示参考电压模式（阻抗测量模式），由激励信号通过电极A向套管注入电流厶，然后回到远距的地表电极B，此时通过地表电极G测出电压测量电极J处的电位圪。

那么测量部分套管和地层的总电阻为：

Q：

V，o（1-2）

』0

第二阶段，如图1．1（b）所示套管电阻模式（刻度模式），仪器测量套管在电极C、D和D、E间的电阻。

在这种状态下，从电极A注入激励电流L，然后电流L回到另一

回流电极F。

这种情况下，电极之间的套管漏电流可以忽略不计。

因此，测量出电极Ci

D间的电压差V1．和电极D、E间的电压差q，就可以计算出这些电极间的套管电阻。

C、

D间的套管电阻为Ri，D、E间的套管电阻为恐，则：

置：

乒（1-3）

R2：

7％-（1-4）

第三阶段，如图l-1（c）所示泄露电流模式（测量模式），从电极A注入激励电流，，，然后回到地表电极B。

测量电极C、D间的电压差K和电极D、E问的电压差匕来估算沿套管流动的电流。

沿套管流动的平均电流，在电极c、D间的套管中为K／R。

，在电极D、E间的套管中为v2／R：

，这些电流值因电流泄漏流入地层而会不同，那么就得到泄露电流。

A1=丘R一≥犬2

、。

两安石油火学硕士学位论文

‘、R～I≥R7厂i～、J

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lO‘lO10-9lO。

810-7lO-6lO。

510410-3lO-2’

图1-2过套管电阻率测井实际测量信号量级

过套管电阻率测井实际测量信号量级如图1-2所示【31，电极间的直接测量电压V的数量级为微伏级（10’6V），差分后电压△y为纳伏级00-9V），套管的电阻R在微欧级（10击Q），泄漏电流△，在毫安级（10。

A）。

由此可见，测量量级之微小就给微弱信号的检测工作带来难度。

1．3微弱信号检测的产生及发展

1．3．1微弱信号检测的产生背景

随着科学技术向纵深发展，人们在研究宏观和微观世界的过程中，常需检测极微弱的信号。

如生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电、生物磁的测量；天文学中的星体光谱；化学反应中的物质生成过程；物理学中的表面物理特性；光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱的测量等等。

由于任何检测设备均存在内部噪声和背景噪声，有用信号往往被噪声淹没，常规的检测方法对此无能为力。

为此，人们开始研究新的检测理论、方法和设备，以满足现代科学技术之需。

微弱信号检澳lJ（WeakSignalDetection）这门新兴的信号检测与处理的技术学科就是在这种情况之下产生并得到迅速发展的。

1．3．2微弱信号检测的发展

微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。

微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号，或者说用什么技术来提高检测系统输出信号的信噪比。

微弱信号检测的任务是研究微弱信号检测的理论，探索新方法，研制新设备，从而在各学科领域中获得广泛应用。

为了检测被背景噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。

微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要。

微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物

第一章绪论

理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。

为了表征噪声对信号的覆盖程度，人们引入了信噪比SNR的概念，信噪比指的是信号有效值S与噪声有效值Ⅳ之比，即

SNR=酬N（1-6）

信噪比可以是电压比值，一般表示为SNR矿；也可以是功率比值，一般表示为SNRP。

微弱信号检测的关键是提高信噪比。

评价一种微弱信号检测方法的优劣，经常采用两种指标：

一种是信噪改善比SNIR（signalnoiseimprovementratio），另一种是有效的检测分辨率。

信噪改善比定义为

SNIR：

—SN—Ro（1．7）

SN＆

式（1．7）中，SNRo是系统输出端的信噪比，SNR,是系统输入端的信噪比。

SNIR越大，表明系统抑制噪声的能力越强。

微弱信号检测的另一个指标是检测分辨率，它的定义是检测仪器示值可以响应与分辨的最小输入量的变化值。

检测分辨率不同于检测灵敏度，后者定义为输出变化量缈与引起缈的输入变化量缸之比，即灵敏度等于缈／缸。

也就是说，灵敏度表示的是检测系统标定曲线的斜率。

一般情况下，灵敏度越高，分辨率越好。

但是，提高系统的放大倍数可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨率，因为分辨率要受噪声和误差的制约【lo】。

所谓“微弱信号”可从两个方面理解：

其一是指有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。

如输入信号的信噪比为lO～、10。

2，以至104，也就是说有用信号幅度比噪声小10倍、100倍乃至万倍。

这时，有用信号完全淹没在噪声之中，要检测这种信号，真可

谓“大海捞针”。

其二是指有用信号的幅度绝对值极小。

如检测∥y、nV、乃至py量级的电信号振幅；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图像。

利用微弱信号检测技术和仪器设备，可大大提高检测灵敏度。

常规检测方法的信噪改善比为10左右，而通过微弱信号检测技术则信噪改善比可达104～105，检测灵敏度达到电压≤0．1刀y、电流

≤10‘14A、温度≤5×10～K、电容≤10一pV、微量分析≤10罐tool，位移≤10。

3～1049m等等，比常规测量灵敏度高3～4个数量级【101。

综上所述，当今微弱信号检测的原理、方法和仪器已成为现代科学研究不可缺少的理论和手段，而未来科技的发展必将对检测技术提出更高的要求，它们相互促进，相互依存，不断发展。

1．4本课题的主要工作

本课题主要有两个任务：

西安石油大学硕十学位论文

第一、通过前期仿真证实在过套管电阻率测井微弱信号检测的背景下，检测纳伏级（10母V）的极微弱信号的可行性。

作者通过查阅大量微弱信号检测原理及方法的相关资料，结合实际研究背景，确定相关参数及选择检测方法来完成该任务。

第二、研究并设计相敏算法实现微弱信号的检测，并将该算法移植到DSP处理器中，用微弱信号数据处理软件进行测试，完成联机调试。

在前期仿真试验中，作者用VB6．0和Matlab作为开发工具模拟输入信号及噪声，并通过一系列算法，证实了强噪声背景下微弱信号检测的可行性。

在实际仿真微弱信号检测的算法及算法移植过程中选用汇编语言作为开发语言，并在VisualDSP++3．0开发环境下编译完成。

上位机的微弱信号采集处理软件选用VB6．0作为开发编译环境。

本课题完成的DSP处理器的算法移植，可以实现强噪声背景下微弱信号的幅度检测，并且在移植之前，该算法已经在上位机上用汇编编程实现，并测试成功，使其具有通用性，宜于移植。

作者查阅了大量微弱信号检测技术及其发展的资料，熟悉了目前微弱信号检测的几种主要方法。

在设计开发过程中，作者紧密结合实际，努力地进行需求分析，设计，圆满地完成了开发任务。

1．5本论文的内容安排

本课题来源于中国石油集团测井有限公司过套管电阻率测井微弱信号检测研究项

目。

本论文共分为六章：

第一章：

绪论。

主要介绍了过套管测井技术主要的应用以及国内外发展现状。

对微弱信号检测技术的产生背景及发展进行介绍。

最后给出了课题的主要任务及内容安排。

第二章：

纳伏级微弱信号检测理论研究。

根据课题所涉及的原理和技术，分析微弱

信号检测中噪声的特性、微弱信号检测的原理及方法。

第三章：

过套管电阻率测井微弱信号采集系统的硬件电路。

介绍采集系统的工作原

理、DSP控制系统彳／D的工作模式、串行口工作方式的控制、完成彳／D转换数据的读取、缓冲、处理和发送。

第四章：

过套管电阻率测井纳伏级微弱信号检测算法的实现。

通过分析参数、数据格式、硬件条件等设计一套适合于本课题的微弱信号检测算法，并利用VB6．0设计的微弱信号数据处理软件做后期的数据处理。

第五章：

抗干扰技术研究与实现。

在硬件和软件两方面进行了抗干扰设计的研究，并研究了带通滤波器在DSP中的实现。

第六章：

过套管电阻率测井微弱信号检测实验结果。

将微弱信号检测相敏检波算法

第一章绪论

移植到DSP处理器后，完成实际联机调试试验。

其中第四、五、六章为作者在本课题中完成的工作。

结论给出了该论文的研究成果及存在问题，并总结了以后的发展前景及方向。

参考文献给出了项目设计和论文写作中阅读和参考过的相关文献资料。

由于该课题内容较多，由多人合作完成，该论文的内容对大电流的发射、前置放大

和数据采集部分不做深入的论述。

本人的主要工作是完成微弱信号检测相敏检波算法和后期微弱信号数据处理部分。

硬安石油大学硕士学位论文

第二章纳伏级微弱信号检测理论研究

微弱信号检测是-I"7新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。

噪声是限制微弱信号检测系统的决定性因素，因此，它是信号检测中的不利因素。

对于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。

微弱信号检测技术，总是首先设法尽量抑制噪声，然后再进行噪声中的信号提取。

因此，从某种

意义上讲，微弱信号检测是一种专门与噪声作斗争的技术。

2．1噪声

人们在进行信号检测前，应深入分析信号的本质，明确检测的对象，而后确定最佳的检测方案、原理、方法及仪器。

信号和噪声的区别主要包括它们的频谱特性、统计特性等方面，而不是它们的强度差别，这是微弱信号检测关键技术的出发点。

根据噪声与信号的这些不同特性拟定检测方案，达到从噪声背景中检测出信号的目的。

噪声是限制信号检测灵敏度的决定性因素，微弱信号检测技术中要解决的核心问题是如何从噪声中提取微弱信号，因此作者在讨论微弱信号检测方法之前，必须要了解噪声。

2．1．1噪声的定义和种类

噪声是真实信息以外的东西，往往称为有害信号。

广义的讲噪声是扣除被测信号真实值以后的各种值，不论这些非零值的来源是外界环境、测量系统、测量人员还是被测对象。

广义的噪声可以分为两类：

一类是干扰；另一类被称为噪声（狭义）。

干扰是指非被测信号或非检测系统所引起的噪声，是来自于外界的影响而造成的非有用信号。

这些外界干扰可来自于宇宙，如宇宙射线、宇宙电磁干扰，也可能是人为的其它器件，如开关的电火花、强信号等等。

最通常的是附近的有强电的外部器件。

从理论上讲，干扰是属于可排除的噪声。

不少干扰源，发出的干扰是有规律的，有些具有周期性，有些只是瞬时的。