CN101525998B - 一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置及其接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁随钻测量***中在地面接收井下发送上来的携带有测量数据信息的电磁信号，并将其传送给数据处理计算机的装置和方法。本发明在井场上使用两幅天线分别接收井下发送的电磁信号和井场噪声信号；两路信号通过阻抗变换器偶合进入程控低噪声前置放大器进行放大，然后进入信号调理模块处理后再经模数转换后进入数字信号处理模块，最后经接口模块将数据传送到计算机终端。本发明配合井下电磁信号发射机构成电磁随钻测量***，以形成井下与地面的信息通讯。电磁随钻测量***不受钻井液介质的影响，在任何工况下无需循环钻井液即可进行数据传输，可解决气体钻井和充气钻井中的随钻测量问题。

Description

一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置及其接收方法

技术领域

本发明属于一种用于矿产和石油资源勘探开发中的随钻测量仪器，如随钻测量仪(MWD)、随钻测井仪(LWD)等。尤其涉及一种电磁随钻测量***中在地面接收井下发送上来的携带有测量数据信息的电磁信号，并将其传送给数据处理计算机的装置和方法。

背景技术

在石油、矿山、地质勘探等钻探工程中，为了准确地掌握地层信息，并使井眼轨迹按照工程设计要求钻进，需要及时地测量地质和工程数据。此外，通过各种传感器所采集到的数据还需要实时地传输到地面。这种实时的数据测量和传输技术称为随钻测量(MWD)。

目前，国内外普遍采用钻井液脉冲来进行井下和地面的信息传输，然而，对于气体及各种充气钻井液，由于流体可压缩性强，钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生有效的脉冲信号，因此钻井液脉冲MWD将无法正常工作。电磁随钻测量(EM-MWD)是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术，可以解决钻井液脉冲MWD***难以逾越的随钻测量难题。

电磁随钻测量技术的研究可追溯到20世纪30年代，并于20世纪70年代初研制出了实用型的EM-MWD***。20世纪80年代中期，开始了EM-MWD***的商业化生产和应用。特别是，20世纪90年代以来，国外各大石油公司推出了一系列的EM-MWD商业化产品，使这项技术迅速在欧洲、加拿大、南美洲和俄罗斯等地区推广应用。

“七五”期间，伴随着钻井液脉冲MWD的研究与国产化工作，我国曾对EM-MWD技术进行过可行性研究。中国电波传播研究所和哈尔滨工业大学等单位以理论研究和功能性试验为主，探索了井下电磁信号的传输信道及特性，分析了信号频率和地层电阻率对信号衰减的影响规律，并对***功耗和噪声干扰进行了试验。其研究结论为：在地层电阻率大于5Ω·m、信号频率5-20Hz、零分贝信噪比的条件下，电磁信号在井下传输3000m是可行的。2006年初，中国石油勘探开发研究院研制成功了CGDS-I近钻头地质导向钻井***，实现了近钻头地质参数和工程参数的随钻测量。其中的测传马达子***采用了电磁信号短传技术，用于将近钻头测量数据传送到井下马达以上的MWD，再通过MWD传送到地面。这种电磁信号短传技术的信号传输速率大于200bit/s、信号传输距离一般不超过10m。

用于井下和地面通信的电磁随钻测量***需要一个井下电磁信号发射装置，它把测量数据调制到载波信号上，以电磁信号的形式发射，通过钻柱、井筒和地层组成的电磁信道传输到地面。地面接收装置用于接收由井下所发射的电磁信号，并通过滤波和解调等信号处理技术还原出井下的测量数据，再通过传送给数据处理计算机。

地面接收装置是电磁随钻测量***中的重要组成部分。由于电磁信号在传输过程中衰减很快，再加上噪声和回波等因素的干扰，地面所接收到的电磁信号有时非常微弱，因此对信号接收与检测技术提出了很高的要求。目前，国内的电磁随钻测量***研究尚处于起步阶段，还没有形成商业化产品。

如现有技术中，申请号DE4135708A的对比文件中，首先噪声检测天线和本发明中的噪声接收天线使用的是两种不同原理和结构的天线；再者两者对噪声的消除方法也是不同，在对比文件中对接收到的噪声信号和电磁波信号进行放大处理后进入一个模拟信号的噪声消除器中进行噪声抵消的，就是它采用的是一种硬件的、模拟信号的加法器或减法器的方法来抵消电磁波中的噪声信号。而本发明接收到的噪声信号和电磁波信号在进行一定的放大、硬件滤波和信号调理后，通过A/D转换器将两路信号转化为数字信号的方式进行噪声消除处理的。而采用数字的方式进行噪声消除处理可以做到更精确、更灵活的消除信号中的噪声；另外由于在不同的地区和井场干扰噪声是有差别的，数字处理方式可以根据噪声信号的特点采用不同的算法，从而达到最佳的噪声消除效果，并能作到自适应处理。

另外，对比文件和本发明虽然都进行噪声抵消的处理以提高信噪比，但最大的不同在于两者消除噪声或叫做噪声抵消的方法是不同的，DE4135708A中采用的是利用不同相位的模拟信号之间的加减的方法，本发明采用的是数字信号处理方法—自适应噪声抵消技术。即与本发明相比其组合的方法、次序、实现部件功能所采用的技术手段等是不同的。

申请号是200410005527.X，其装置接收的信号是井下发送的调频载波电磁信号。信号解调处理采用硬件FSK解调器和检波器的传统技术方法，只能接收采用FSK调制方式的信号。而申请号为200410004275.9的技术方案中，所述的接收器是安装在井下离钻头1-2柱钻铤的接头上进行工作的，发射和接收都工作在井下环境且相距很近。接收的信号是井下近钻头安装的发射机发送的调频载波电磁信号。信号解调处理采用硬件FSK解调器和检波器的传统技术方法，只能接收采用FSK调制方式的信号。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的技术问题，研制一种电磁随钻测量***中的地面信号接收装置，并建立了信号接收与检测方法。该发明采用软件无线电技术、自适应滤波技术及信号偶合技术，能满足恶劣噪声环境下的电磁信号接收与检测，并可兼容不同调制方式的电磁随钻测量***。

本发明提供一种电磁随钻测量***的地面信号接收方法及装置，装置不受钻井液介质的影响，在任何工况下无需循环钻井液即可进行数据传输，可解决气体钻井和充气钻井中的随钻测量问题。

其中为了实现发明目的，而研制的接收装置包括：

信号接收端，信号处理单元和信号输出单元。

所述信号接收端为地面接收天线组，包括电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线，分别用于接收井下发射的电磁信号、地面干扰信号和井场干扰噪声信号；

所述信号处理单元包括双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源；

所述输出单元用于将所述信号处理单元的信号通过通讯端口输出；

所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线将接收的信号依次经过双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路的数据处理，井下数据信号由通讯端口输出。

为了提供一种有效的地面信号接收方式，本发明通过使用两种不同的天线分别接收信号和噪声。所述电磁信号接收天线采用水平极化接收方式，为非对称偶极天线；用于接收包括井下发射的电磁信号和地面干扰信号；

所述干扰噪声接收天线采用单极垂直极化接收方式，为无源鞭状天线；用于接收井场干扰噪声信号。

在实际的应用中，所述双通道信号偶合器包括电磁信号通道的信号偶合器和干扰噪声信号通道的信号偶合器；用于将地面接收天线组接收到的信号偶合给下级电路，并实现信号放大、叠加和阻抗变换；

所述双通道程控前置放大器包括电磁信号通道前置放大器和干扰噪声信号通道前置放大器，双通道中均为电压前置放大器；

所述双通道信号调理器包括电磁信号通道的信号调理器和干扰噪声信号通道的信号调理器；用于对电磁信号和干扰噪声信号进行调理，即滤除工频干扰，抗混叠滤波；

所述双通道A/D转换器包括电磁信号通道的A/D转换器和干扰噪声信号通道的A/D转换器；用于将双通道信号调理器送来的两路信号进行量化，并将比特流信息送给下级电路。

为了实现线性放大，减少由放大通道引入的噪声。所述双通道程控前置放大器中，任一通道的前置放大器包括超低噪声放大器、程控放大器、50Hz馅波器、高通滤波器、低通滤波器、输出放大器与输出级、输入方式控制电路、放大倍数控制电路、馅波控制电路、高通和低通滤波器截至频率控制电路、电源电路；

为了给信号进行调理，所述双通道信号调理器中，任一通道包括有源低通滤波器、调零电路与A/D保护电路；

所述DSP电路包括数字信号处理器和***电路，其中包括FLASH、SDRAM、晶振、通信接口等；所述DSP电路采用无线电技术，用于对两路信号进行采集、数字滤波、自适应消噪、解调、译码和通讯。

为了提高装置的抗干扰能力，采用了一体化设计。所述装置还包括信号偶合器箱和接收机箱体；所述信号偶合器箱和接收机箱体连接；

所述信号偶合器箱包括一个金属防爆箱体和所述双通道信号偶合器；所述金属防爆箱体有两个输入和输出端口。两个输入端口分别通过电缆连接所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线；两个输出端口用电缆连接至所述接收机箱体的信号输入端口；

所述接收机箱体包括一个金属防爆箱体，所述双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源及通讯端口均设置在接收机箱体内部。

而本发明根据装置所采用的一种接收方法，所述接收方法中包括信号接收端，信号处理单元和信号输出单元；

所述接收方法包括：

1)信号采集步骤：根据所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线接收从大地和钻柱构成的电磁信道中传来的含有井下测量数据的电磁信号和干扰信号；

2)信号叠加和偶合步骤：用所述双通道信号偶合器对接收到的两路信号进行叠加和偶合；

3)信号放大步骤：用所述双通道程控前置放大器对通过偶合得到的两路信号进行放大、调理和量化操作；

4)信号滤波步骤：应用所述双通道信号调理器对量化后的数字信号进行滤波；

5)信号自适应噪声抵消步骤：应用DSP电路对滤波后的信号进行自适应噪声抵消；

6)信号解调和译码步骤；

7)信号输出步骤：将处理完成的信号通过通讯端口输出。

上述步骤2中所述叠加和偶合是对输入的两路信号通过偶合器进入下级电路；步骤3中所述对两路信号进行放大、调理和量化为对偶合进来的两路信号进行放大到0～5V，放大后的信号进入所述50赫兹陷波器、8阶低通滤波器进行滤波，然后输入两路A/D转换器进行量化，并输出量化后的两路数字信号；

步骤4中所述对量化后的数字信号进行滤波，通过所述DSP电路对信号进一步进行滤波，滤波后的信号进行自适应噪声抵消处理；

步骤5中所述的自适应噪声抵消操作为，从信号被噪声干扰所淹没的环境中检测和提取有用信号；

步骤6中所述对信号进行解调和译码，采用软件无线电技术，对滤波后的信号进行解调，解调后得到的数据流再进行译码处理；

步骤7，将经过译码后得到测量数据通过通讯接口发送给数据处理计算机。

本发明中的装置和方法，在井场上使用两幅天线分别接收井下发送的电磁信号和井场噪声信号；两路信号通过阻抗变换器偶合；之后进入程控低噪声前置放大器进行放大，后进入信号调理模块处理后再经模数转换后进入数字信号处理模块，进行包括数字滤波、自适应噪声抵消、差分相干解调、软件维特比译码，最后经接口模块将数据传送到计算机终端。本发明配合井下电磁信号发射机构成电磁随钻测量***，以形成井下与地面的信息通讯。电磁随钻测量***不受钻井液介质的影响，在任何工况下无需循环钻井液即可进行数据传输，可解决气体钻井和充气钻井中的随钻测量问题。提高了信号的接收能力和强噪声环境下的检测能力，可提高电磁随钻测量***的测量深度；采用无线电技术可以兼容各种井下信号的调制编码方式，并可拓展其功能和适用范围。可应用于石油、矿山、地质勘探等行业的地下与地面的数据通信。

附图说明

图1为本发明接收装置的原理框图；

图2是本发明接收装置的结构示意图；

图3是本发明接收装置中地面接收天线组布置示意图；

图4是本发明接收方法的流程示意图；

图5是本发明中自适应噪声抵消过程的原理图；

以上各幅附图将结合下述具体实施方式进行说明。

具体实施方式

本发明接收装置包括：信号接收端，信号处理单元和信号输出单元。

所述信号接收端为地面接收天线组，包括电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线，分别用于接收井下发射的电磁信号、地面干扰信号和井场干扰噪声信号；

所述信号处理单元包括双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源；

所述输出单元用于将所述信号处理单元的信号通过通讯端口输出；

所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线将接收的信号依次经过双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路的数据处理，井下数据信号由通讯端口输出。

其中，

1、电磁信号接收天线：采用水平极化接收方式，天线由两根金属棒和连接电缆组成，布置在地面相距一定距离的两个埋地电极；接收的信号包括井下发射的电磁信号和地面干扰信号，并通过连接电缆将接收到的信号送到电磁信号通道的信号偶合器；

2、干扰噪声接收天线：采用地面垂直放置方式，由无源鞭状天线组成；接收井场干扰噪声信号，并通过连接电缆将接收到的信号送到干扰噪声通道的信号偶合器；

3、双通道信号偶合器：任一通道所包含的偶合器在性能和结构上完全相同。将两幅天线接收到的信号偶合给下级电路，并实现信号放大、叠加和阻抗变换。

4、双通道程控前置放大器：两通道具有完全相同放大倍率可程控的电压前置放大器。前置放大器任一通道由超低噪声放大器、程控放大器、50Hz馅波器、高通滤波器、低通滤波器、输出放大器与输出级、输入方式控制电路、放大倍数控制电路、馅波控制电路、高通和低通滤波器截至频率控制电路、电源电路组成。A通道放大已接收的电磁信号电压，B通道放大已接收的噪声电压。实现线性放大，减少由放大通道引入的噪声。

5、双通道的信号调理器：任一通道包括有源低通滤波器、调零电路与A/D保护电路，分A、B两个对称通道，A通道对接收的电磁信号进行调理：滤除工频干扰，抗混叠滤波；B通道对接收的噪声经行调理，进一步滤除工频干扰，抗混叠滤波，使宽带噪声变为窄带噪声，满足后级自适应消噪的要求。

6、双通道A/D转换器：完成对双通道信号调理器送来的两路信号的量化，并将得到的比特流信息送给下级电路。

7、DSP电路：由数字信号处理器，其型号是TMS320VC5509A和FLASH、SDRAM、晶振、通信接口等***电路组成，并结合无线电技术，主要完成两路信号采集，数字滤波，自适应消噪，解调，译码，通讯工作。

8、电源和通讯接口：电源为接收机提供电源供应，通讯接口将接收到的数据传递给数据处理计算机。

9、信号偶合器箱：包括一个金属防爆箱体和在其内部安装有所述两个信号偶合器，分别有两个输入和输出端口。输入端口用电缆连接电磁信号天线和干扰天线；输出端口用电缆连接至接收机箱体的信号输入端口。

10、接收机箱体：包括一个金属防爆箱体和箱体内部包含双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源及通讯端口。

在本发明中，

(1)在根据建立一种有效的井下发射电磁信号的地面接收方法的前提下，针对井下发射的通过钻柱和地层构成的信道传输到地面的已经被衰减的十分微弱(微伏级信号)的极低频电磁信号，且地面的各种干扰信号又十分丰富的情况下，本发明给出一种有效的地面信号接收方法，通过使用两种不同的天线分别接收信号和噪声，接收到的信号经信号偶合器进入低噪声程控前置放大器进行放大后再进入信号调理和量化电路处理，最后量化后的信号进入DSP电路利用无线电技术进行滤波、自适应噪声抵消、解调和译码处理完成对信号的接收。在实际应用中，带有井下测量数据的极低频载波信号通过钻柱和地层构成的电磁信道传输到地面，在传输过程中受到信道的衰减已十分微弱并被淹没在各种噪声和干扰信号中，信噪比差，反映到接收装置的性能上是误码率的增大，为了减小接收装置的误码率，需要对信号进行适当的处理和噪声滤波，提高信噪比。具体内容如下：

①接收天线的布置和信号偶合

地面接收天线包括电磁信号接收天线1和干扰接收天线2，电磁信号接收天线为非对称偶极天线，水平极化接收，接收电极埋置地下，两电极相隔一定距离。干扰接收天线为单极垂直极化天线，相对地面垂直放置。两路天线接收的信号通过偶合器3和4进入后续的程控前置放大器5和6进行放大处理。其中偶合器具有使天线和前放阻抗匹配的作用。

②信号的滤波

由于有效信号是一个极低频信号2～30Hz，因此信号中的任何高频部分都是干扰。为了尽可能的滤除高频干扰，使用了硬件和软件两种方式对信号进行了低通滤波。其中硬件抗混叠低通滤波器在信号调理器7和8中实现，采用8阶巴特沃兹有源低通滤波器实现，经过硬件滤波后的信号通过A/D转换器9和10量化后进入DSP电路12进行软件滤波，软件滤波可以灵活选取窗函数和参数设计或改变滤波器等。为了取得良好的滤波效果，本方法采用了100阶FIR滤波。

③软件解调及译码

将自适应噪声抵消中提取出的有用信号根据信号的调制方式进行软件解调和译码。由于采用了无线电的技术，对于采用不同调制和编码方式的信号只需选择不同的解调和译码算法就可以完成对信号的解调和译码。如信号的调制方式是2DPSK，编码方式是卷积编码，就可以选择相应的差分相干解调算法和Viterbi译码算法来对信号进行处理，处理后得到的测量数据就可以通过通讯接口传送给数据处理计算机。

本发明的接收方法包括，

1)信号采集步骤：根据所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线接收从大地和钻柱构成的电磁信道中传来的含有井下测量数据的电磁信号和干扰信号；

2)信号叠加和偶合步骤：用所述双通道信号偶合器对接收到的两路信号进行叠加和偶合；

3)信号放大步骤：用所述双通道程控前置放大器对通过偶合得到的两路信号进行放大、调理和量化操作；

4)信号滤波步骤：应用所述双通道信号调理器对量化后的数字信号进行滤波；

5)信号自适应噪声抵消步骤：应用DSP电路对滤波后的信号进行自适应噪声抵消；

6)信号解调和译码步骤；

7)信号输出步骤：将处理完成的信号通过通讯端口输出。

其中，

1信号采集步骤，在地面使用两幅不同类型的天线分别接收不含有或含有很少的井下发送信号的井场干扰噪声和含有噪声的来自井下发送的信号，两路信号通过电缆连接到下级电路。

2信号叠加和偶合步骤，来自天线的两路信号通过偶合器进入下级电路，偶合器能够抵消部分信号中的干扰噪声并使天线和后级电路阻抗匹配。

3信号放大步骤，对偶合进来的两路信号进行放大到0～5V，放大的倍率自动切换；放大后的信号进入由硬件电路构成的50赫兹陷波器、8阶低通滤波器进行滤波，然后进入2路A/D转换器进行量化，输出量化后的两路数字信号。

4信号滤波步骤，通过DSP处理器构成数字低通滤波器对信号进一步进行滤波，采用FIR滤波算法，截止频率为30赫兹，滤波后的信号进入自适应噪声抵消处理。

5信号自适应噪声抵消步骤，自适应噪声滤波是指从信号被噪声干扰所淹没的环境中检测和提取有用信号，而自适应抵消是以噪声干扰为处理对象，将他们抑制掉或进行非常大的衰减，以提高信号传递和接收的信噪比质量。自适应噪声干扰抵消器是基于自适应滤波器原理的一种扩展，简单地说，把自适应滤波器的期望信号输入端d(n)改为信号加噪声干扰的原始输入端，而它的输入端改为噪声干扰端，由横向滤波器的参数调节输出以将原始输入端的噪声干扰抵消掉，这时误差输出就是有用信号了。

6信号解调和译码步骤和信号输出步骤，采用无线电技术，对滤波后的信号进行软件解调，解调的算法是可选，能够根据信号所采用的调制方式选择相应解调算法；解调后得到的数据流再进行译码处理，译码算法也是可选，根据接收信号的编码方式选择相应的译码算法；将经过译码后得到测量数据通过通讯接口发送给数据处理计算机。

其中，所述的无线电技术是指：在数字无线通信***中，数字调制解调技术运用数字方法实现信号的调制解调，不仅可以更加精确的处理信号相位等问题，提高***频带宽度等性能，而且还便于使用数字电路和软件相结合的方法，为***功能的软件化实现提供可能。本装置使用DSP处理板采用该技术实现了兼容多种调制方式和编码方式，且可随时在线升级其软件以扩充本装置的功能。

所述的解调算法可选，本装置的方法具有适应现有技术中多种信号调制方式的解调算法，可通过方法设定来选择不同的算法，以便于接收采用不同调制方式发射的信号，提高本装置的适应性。

所述的译码算法可选，本装置的方法具有适应现有技术中多种信号编码方式的译码算法，可通过方法来选择不同的算法，以便于接收采用不同编码方式发射的信号，提高本装置的适应性。

图5中有关自适应噪声抵消的原理图。由于有用信号常常被噪声或干扰淹没，信噪比差，反映到接收装置的性能上是误码率的增大，为了减小接收装置的误码率，需要对信号进行噪声滤波，提高信噪比，自适应噪声抵消是一种行之有效的噪声滤波方法，可以有效改善信噪比。

这里的噪声包括有意或无意的干扰，信号被传送到传感器时会附加上不相关的噪声n₀，合并的信号s+n₀从原始输入端到抵消器，第二个传感器收到噪声n₁，n₁与信号s不相关，但与n₀有某种未知的相关。n₁经过滤波产生的输出y与n₀极为相似。这个y被从原始输入s+n₀中减去，得到***输出s+n₀-y。

在图5示的自适应抵消***中，参考输入通过最小均方误差算法自动调节***冲击响应的滤波器，利用误差信号经过自适应算法来调节其权值矢量，以使滤波器给出所期望的输出，这个输出与n₀的相关分量相减，获得误差最小化。

假设s，n₀，n₁，y在统计上是固定的，并且均值为0，再假设s和n₀，n₁不相关，仅n₀与n₁相关，输出误差为

ε＝s+n₀-y

将上式两边平方后，得到

ε²＝s²+(n₀-y)²+2s(n₀-y)

将两边取数学期望，因为s和n₀，y不相关，所以有

E[ε²]＝E[s²]+E[(n₀-y)²]+2E[s(n₀-y)]

      ＝E[s²]+E[(n₀-y)²]

当调节滤波器的参数使E[ε²]最小化时，不希望信号能量E[s²]会受到影响，从而使最小输出能量为：

E_min[ε²]＝E[s²]+E_min[(n₀-y)²]

当滤波器参数改变使E[ε²]减小时，E[(n₀-y)²]也同时被减小，滤波器输出y是原始输入中噪声n₀的最小方差估计。这意味着E[(n₀-y)²]为最小化时，E[(ε-s)²]也是最小的，因此，由式ε＝s+n₀-y得到

(ε-s)＝(n₀-y)

对于给定的自适应滤波器结构和可调节性，以及给定的参考输入，调节滤波器参数，使其输出能量最小化，这等价于使输出误差ε为信号s的最小方差估计，输出误差ε主要包括信号s和一些噪声，由式(ε-s)＝(n₀-y)可知，输出噪声为(n₀-y)；既然E[ε²]和E[(n₀-y)²]已经最小化了，输出噪声的功率必将最小化；而且在输出中信号是不变的，所以输出功率最小化相当于信噪比最大的情况。

从式E[ε²]＝E[s²]+E[(n₀-y)²]+2E[s(n₀-y)]可知，最小可能的输出功率是E_min[ε²]＝E[s²]，当达到这一点时，E[(n₀-y)²]＝0，因此，y＝n₀，ε＝s，这时，最小化输出功率使输出完全没有噪声，这是自适应滤波的理想情况。

可以看出，应用适当的接收天线形式，可以得到一路以有用信号为主同时含有部分噪声干扰和另一路主要是噪声信号含有少量有用信号(理想情况下不含有用信号)的两路信号，把这两路信号分别作为自适应噪声干扰抵消器的原始输入端和参考输入端进行自适应滤波，即可提高输出信号的信噪比。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置，所述装置包括信号接收端，信号处理单元和信号输出单元；其特征在于，

所述信号接收端为地面接收天线组，包括电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线，分别用于接收井下发射的电磁信号、地面干扰信号和井场干扰噪声信号；

所述信号处理单元包括双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源；

所述信号输出单元用于将所述信号处理单元的信号通过通讯端口输出；

所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线将接收的信号依次经过双通道信号偶合器、双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路的数据处理，井下数据信号由通讯端口输出；

所述电磁信号接收天线采用水平极化接收方式，为非对称偶极天线；用于接收包括井下发射的电磁信号和地面干扰信号；

所述干扰噪声接收天线采用单极垂直极化接收方式，为无源鞭状天线；用于接收井场干扰噪声信号。

2.根据权利要求1所述一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置，其特征在于，

所述双通道信号偶合器包括电磁信号通道的信号偶合器和干扰噪声信号通道的信号偶合器；用于将地面接收天线组接收到的信号偶合给下级电路，并实现信号放大、叠加和阻抗变换；

所述双通道程控前置放大器包括电磁信号通道前置放大器和干扰噪声信号通道前置放大器，双通道中均为电压前置放大器；

所述双通道信号调理器包括电磁信号通道的信号调理器和干扰噪声信号通道的信号调理器；用于对电磁信号和干扰噪声信号进行调理，即滤除工频干扰，抗混叠滤波；

所述双通道A/D转换器包括电磁信号通道的A/D转换器和干扰噪声信号通道的A/D转换器；用于将双通道信号调理器送来的两路信号进行量化，并将比特流信息送给下级电路。

3.根据权利要求1或2所述一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置，其特征在于，

所述双通道程控前置放大器中，任一通道的前置放大器包括超低噪声放大器、程控放大器、50Hz馅波器、高通滤波器、低通滤波器、输出放大器与输出级、输入方式控制电路、放大倍数控制电路、馅波控制电路、高通和低通滤波器截至频率控制电路、电源电路；

所述双通道信号调理器中，任一通道包括有源低通滤波器、调零电路与A/D保护电路；

所述DSP电路包括数字信号处理器和***电路；所述DSP电路采用无线电技术，用于对两路信号进行采集、数字滤波、自适应消噪、解调、译码和通讯。

4.根据权利要求1或2所述一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置，其特征在于，

所述装置还包括信号偶合器箱和接收机箱体；所述信号偶合器箱和接收机箱体连接；

所述信号偶合器箱包括一个金属防爆箱体和所述双通道信号偶合器；所述金属防爆箱体有两个输入和输出端口。两个输入端口分别通过电缆连接所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线；两个输出端口用电缆连接至所述接收机箱体的信号输入端口；

所述接收机箱体包括一个金属防爆箱体，所述双通道程控前置放大器、双通道信号调理器、双通道A/D转换器、DSP电路和电源及通讯端口均设置在接收机箱体内部。

5.根据权利要求1～4之一所述一种电磁随钻测量***的地面信号接收装置所采用的一种接收方法，所述接收方法中包括信号接收端，信号处理单元和信号输出单元；

其特征在于，所述接收方法包括：

1)信号采集步骤：根据所述电磁信号接收天线和干扰噪声接收天线接收从大地和钻柱构成的电磁信道中传来的含有井下测量数据的电磁信号和干扰信号；

2)信号叠加和偶合步骤：用所述双通道信号偶合器对接收到的两路信号进行叠加和偶合；

3)信号放大步骤：用所述双通道程控前置放大器对通过偶合得到的两路信号进行放大、调理和量化操作；

4)信号滤波步骤：应用所述双通道信号调理器对量化后的数字信号进行滤波；

5)信号自适应噪声抵消步骤：应用DSP电路对滤波后的信号进行自适应噪声抵消；

6)信号解调和译码步骤；

7)信号输出步骤：将处理完成的信号通过通讯端口输出。

6.根据权利要求5所述一种电磁随钻测量***的地面信号接收方法，其特征在于，所述接收方法中：

步骤2中所述叠加和偶合是对输入的两路信号通过偶合器进入下级电路；

步骤3中所述对两路信号进行放大、调理和量化为对偶合进来的两路信号进行放大到0～5V，放大后的信号进入50赫兹陷波器、8阶低通滤波器进行滤波，然后输入两路A/D转换器进行量化，并输出量化后的两路数字信号；

步骤4中所述对量化后的数字信号进行滤波，通过所述DSP电路对信号进一步进行滤波，滤波后的信号进行自适应噪声抵消处理；

步骤5中所述的自适应噪声抵消操作为，从信号被噪声干扰所淹没的环境中检测和提取有用信号；

步骤6中所述对信号进行解调和译码，采用软件无线电技术，对滤波后的信号进行解调，解调后得到的数据流再进行译码处理；

步骤7，将经过译码后得到测量数据通过通讯接口发送给数据处理计算机。

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