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

1、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

2、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： The Theory and Implementation of Na

3、novoit Weak Signal Speciality： Measu strumentName： Zhang Instructor：ZhangABSIRAC。lCased hole formation resistivity logging technology is to measure the microvoltage of the three metrical electrodes of cased hole to compute current leak-current and the resistivity of the earthThe voltage of the metri

4、cal electrodes is microvolt and the major work of this paper is to complete the detection of the extremely weak voltage signal of the metrical electrodes of the cased hole，but its second voltage difference is nanovoltWeak signal detection is one of the most advanced techniquesBecause it call measure

5、 the feebleness signal which Was not considered by traditional conceptions0 it get fast development and recognitionIn this paper，the author analyzes the method of weak signal detection，and apbasesensitive detection method of weak signal detection Was adoptedFirstly，the simulationexperiments which we

6、re educed by phase-sensitive detection of cased hole formationresistivity ale presented，and it validates that it is feasible under this environmentSecondly， this paper shows the material arithmetic of phasesensitive detection，and through the data processing software of weak signal， and then use arit

7、hmetic transplant to accomplish online debuggingIn this paper,the author introduces the anti-interference technology and designs thebandpfiss fi lterThe results indicate that in strong noises environment，the phasesensitive detectionmethod Can restrain the noise primely and realize the precise measur

8、ement of the weaksignalS scope under small SNRKeywords：Cased hole logging，Weak signal detection，Phase-sensitive detection，Digital fiIterThesis：Fundament Study(The paper is supported by Innovation Foundmion of China National Petroleum Corporation(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

9、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

10、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 绪论第一章 绪论11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

11、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。12过套管电阻率测并的发展及原理121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LMAlpin提出了“在套管井中进行电测的方法”，见专利：USNo56026。 该专

12、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WHStewart电测方法和仪器”，见美国专利：US。No2，459，158。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

13、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。1 986年PML公司(PML acquisition by BAQ4 1 997)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Bake

14、r Atlas(阿特拉斯)公司研制出现场测试样机TCRT(Through Casing Resistivity T001)。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CHFR Plus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

15、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。122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

16、属套管流入地层的 泄漏电流AI，就可按(11)式计算地层的视电阻率15哂一IT。成=尬三(1-1)式(11)中：l【_无量纲常数；zC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。2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11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

17、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11(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CiD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

18、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KR。，在电 极D、E间的套管中为v2R：，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、 。3两安石油火学硕士学位论文、RIR 7厂i、J。：笺：。二：垡：之。霉，j芦) ：，i。i、j 过套管测井、 一ooooooooo叫lOlO 10-9 lO。8 10-7 lO-6 lO。5 104 10-3 lO-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(106V)，差分后电压

19、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。13微弱信号检测的产生及发展131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、

20、方法和设备，以满足现代科学技术之需。微弱信号检澳lJ(Weak Signal Detection) 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。132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

21、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4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

22、值之比，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(signal noise improvement ratio)，另一种是有效的检测分 辨率。信噪改善比定义为SNIR：SNRo (17)SN式(17)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

23、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【l o】。 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

24、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104105，检测灵敏度达到电压01刀y、电流1014A、温度510K、电容10一pV、微量分析10罐tool，位移10。31049m等 等，比常规测量灵敏度高34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。14本课题的主要工作本课题主要有两个任务：5西安石油大学硕十学位论文第

25、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VB 60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Visual DSP+30开发环境下编译完成

26、。上位机的微弱信号采集处理软件选用VB 60 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。15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

27、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VB 60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

28、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6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。7硬安石油大学硕士学位论文第二章纳伏级微弱信

29、号检测理论研究微弱信号检测是-I7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。21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

30、、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。211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

31、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。相关检测法对此无能为力。人们可以通过屏蔽、滤波、电源净化器和电路元件 的配置等手段，加以排除或减弱。显然排除的措施，需要针对干扰源的特点进行。狭义 的噪声，是指来自于被测对象、检测系统内部的噪声，其特点是：不可能彻底排除，只 能设法减少，这些噪声是随机的。本论文中的相关检测系统主要作用是：抑制噪声，检 测信号。8第二章 纳伏级微弱信号检测理论研究212噪声的统计特性19l噪声是存在于电路内部的一种固有的