CN104133982A - 一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，利用梳状滤波器的阶数公式：N＝Fs/Fo，Fs为泥浆信号的采样频率，Fo为单个泥浆泵活塞运动速率与泥浆泵个数的乘积，确定梳状滤波器的阶数；当进行泵冲噪声消除时，利用MATLAB软件实现泥浆脉冲信号的滤波过程：1)现场采集泥浆脉冲信号；2)根据信号的信噪比确定梳状滤波器的带宽BW，再根据带宽BW和确定的阶数设计所需的梳状滤波器；3)将泥浆脉冲信号进行转换，使信号值位于(-1,1)区间，得到的结果为X(n)；4)将信号X(n)载入到梳状滤波器做卷积滤波，得出滤波后的信号Y(n)；5)作图，观察信号滤波情况。本发明突破了硬件电路的限制，利用MATLAB软件有效实现泥浆脉冲信号的滤波过程，同时将梳状滤波器应用于泥浆脉冲信号，进一步加强了滤波效果。

Description

一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法

技术领域

本发明涉及石油钻探随钻测井的技术领域，尤其是指一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法。

背景技术

目前，在石油随钻测井领域中，常用的信号滤波是由硬件电路来完成，一般采用无源滤波电路或者有源滤波电路，这种方法实现简单，但当应用到随钻测井泥浆压力脉冲信号时，由于其传输频率较低，与干扰源的频率较为接近，这样采用硬件滤波的方法来滤波的精度和效果都达不到要求，同时在不同的环境下干扰信号类型不同，更改滤波的参数也很不方便。这就使得***设备中需有些高抑制信号处理的滤波器，来提高整个***的信道质量。此外，在泥浆脉冲信号发生***中，由于泥浆需要借助外部的压力来传递，因此泥浆泵活塞需要不断的往复运动，在这一往复运动过程中，会产生泵冲噪声，因此对于井下仪器信号采集到的信号数据，要进行正确的信号解码，就必须消除泵冲噪声。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种有效、可靠的泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，能够明显提高信号质量，便于后续的信号传输、解码处理。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，首先，根据单个泥浆泵活塞运动速率和泥浆泵个数及泥浆信号的采样频率，利用梳状滤波器的阶数公式：N＝Fs/Fo，Fs为泥浆信号的采样频率，Fo为泥浆泵活塞运动周期频率，即单个泥浆泵活塞运动速率与泥浆泵个数的乘积，确定梳状滤波器的阶数；当需要进行泵冲噪声消除时，利用MATLAB软件实现泥浆脉冲信号的滤波过程，包括以下步骤：

1)对随钻测井中的立管压力传感器信号进行采集，并将采集到的模拟信号转换成数字信号，得到的数字信号即为现场采集到的泥浆脉冲信号；

2)根据泥浆脉冲信号的质量即信噪比确定梳状滤波器的带宽BW，通常默认为3dB，然后再根据带宽BW和计算所得的阶数N设计所需的梳状滤波器；

3)将现场采集到的泥浆脉冲信号进行转换，使信号值位于(-1,1)区间，得到的结果为X(n)；

4)将转换后的信号X(n)载入到设计的梳状滤波器进行处理，做卷积滤波，得出滤波后的信号Y(n)；

5)作图，观察信号滤波情况，看泵冲噪声是否已被消除，至此便完成泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除工作。

在步骤3)中，将原始信号减去平均值，再除以信号峰值的绝对值后，才得到泥浆脉冲信号X(n)。

在步骤4)中，需先将设计的梳状滤波器导出为一阶响应矩阵H(n)，然后才与泥浆脉冲信号X(n)在时域内做卷积处理，得出滤波后的信号Y(n)，其中，

$Y\left(n\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{m=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}X\left(m\right)H(n-m)$

这种相乘后求和的计算法称为卷积，式中，m是每次参与求和运算的信号响应个数，n是使H(-m)位移的量，当时序n＝0时，序列H(-m)是H(m)在时序取反的结果，时序取反使得H(m)以纵轴为中心翻转180度；

假设信号X(n)的个数是n1,一阶响应矩阵H(n)的元素个数为n1，则输出的Y(n)有(n1+n2-1)个点，由于一阶响应矩阵H在小于0或者大于n2的时候都是为0的，所以上面的公式简化为：

$Y\left(n\right)=\underset{m>n-n2}{\overset{m<n}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(m\right)H(n-m)$

根据以上公式，得出滤波后的信号Y(n)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、突破了用硬件电路实现滤波精度和效果的限制，利用MATLAB软件设计出滤波器，应用于随钻测量信号的处理软件中，有效实现泥浆脉冲信号的滤波过程，与硬件电路相比，滤波器参数便于调节，扩大了滤波器的适用范围；

2、将常用于高质量图像处理的梳状滤波器应用于泥浆脉冲信号，跟其他滤波器相比，在滤除泵冲噪声的同时，不会将信号的高频分量也滤除，进一步提高了精度和效果，提高了整个***的信道质量，便于后续的信号传输、解码处理。

附图说明

图1为本发明所述梳状滤波器的原理图。

图2为梳状滤波器的频率响应图。

图3为滤波前的信号频谱图。

图4为滤波后的信号频谱图。

图5为泥浆脉冲信号泵冲噪声消除效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，其具体情况如下：

首先，根据单个泥浆泵活塞运动速率和泥浆泵个数及泥浆信号的采样频率，利用梳状滤波器的阶数公式：N＝Fs/Fo，Fs为泥浆信号的采样频率，Fo为泥浆泵活塞运动周期频率(即单个泥浆泵活塞运动速率与泥浆泵个数的乘积)，确定梳状滤波器的阶数N。

当需要进行泵冲噪声消除时，利用MATLAB软件实现泥浆脉冲信号的滤波过程，包括以下步骤：

1)对随钻测井中的立管压力传感器信号进行采集，并将采集到的模拟信号转换成数字信号，得到的数字信号即为现场采集到的泥浆脉冲信号。

2)根据泥浆脉冲信号的质量即信噪比确定梳状滤波器的带宽BW，通常默认为3dB，然后再根据带宽BW和计算所得的阶数N设计所需的梳状滤波器。

假设采集频率Fs＝100Hz，F_o＝1.66Hz，在MATLAB的滤波器设计工具FDATOOL中选择IIR-Comb滤波器，响应类型为Nothing陷波器，确定梳状滤波器的阶数约为60Hz，默认的滤波器质量因子为3dB，那么得到的滤波器幅度-频率响应如图2所示。

3)将现场采集到的泥浆脉冲信号进行转换，使信号值位于(-1,1)区间，得到的结果为X(n)，具体是将原始信号减去平均值，再除以信号峰值的绝对值后，才得到泥浆脉冲信号X(n)。

4)将转换后的信号X(n)载入到设计的梳状滤波器进行处理，做卷积滤波，得出滤波后的信号Y(n)，如图1所示，Xn为输入，经过延时和放大器am之后与输入信号Xn相加，减去经过延时和放大器bn的输出信号，得到Yn输出。其具体情况如下：

将设计的梳状滤波器导出为一阶响应矩阵H(n)，然后才与泥浆脉冲信号X(n)在时域内做卷积处理，得出滤波后的信号Y(n)，其中，

$Y\left(n\right)=\underset{m=-\&infin;}{\overset{m=+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(m\right)H(n-m)$

这种相乘后求和的计算法称为卷积，式中，m是每次参与求和运算的信号响应个数，n是使H(-m)位移的量，当时序n＝0时，序列H(-m)是H(m)在时序取反的结果，时序取反使得H(m)以纵轴为中心翻转180度。

假设信号X(n)的个数是n1,一阶响应矩阵H(n)的元素个数为n1，则输出的Y(n)有(n1+n2-1)个点，由于一阶响应矩阵H在小于0或者大于n2的时候都是为0的，所以上面的公式简化为：

$Y\left(n\right)=\underset{m>n-n2}{\overset{m<n}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(m\right)H(n-m)$

根据以上公式，得出滤波后的信号Y(n)。

5)作图，观察信号滤波情况，看泵冲噪声是否已被消除，至此便完成泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除工作。信号在频域中的对比如图3和图4所示，其中图3中1.66Hz附近的噪声信号已经在图4中得到了削弱。信号在时域中的对比图如图5所示，幅度较大的信号是包含噪声的信号X(n)，幅度较小的是滤除泵冲噪声之后的信号Y(n)。滤波的效果很直观。

综上所述，在采用以上方案后，本发明方法能有效消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声，这相比现有技术，本发明方法突破了硬件电路的限制，利用MATLAB软件有效实现泥浆脉冲信号的滤波过程，提高滤波精度和效果，同时将常用于高质量图像处理的梳状滤波器应用于泥浆脉冲信号，进一步加强了滤波效果，提高了整个***的信道质量，便于后续的信号传输、解码处理，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，其特征在于：首先，根据单个泥浆泵活塞运动速率和泥浆泵个数及泥浆信号的采样频率，利用梳状滤波器的阶数公式：N＝Fs/Fo，Fs为泥浆信号的采样频率，Fo为泥浆泵活塞运动周期频率，即单个泥浆泵活塞运动速率与泥浆泵个数的乘积，确定梳状滤波器的阶数；当需要进行泵冲噪声消除时，利用MATLAB软件实现泥浆脉冲信号的滤波过程，包括以下步骤：

1)对随钻测井中的立管压力传感器信号进行采集，并将采集到的模拟信号转换成数字信号，得到的数字信号即为现场采集到的泥浆脉冲信号；

2)根据泥浆脉冲信号的质量即信噪比确定梳状滤波器的带宽BW，通常默认为3dB，然后再根据带宽BW和计算所得的阶数N设计所需的梳状滤波器；

3)将现场采集到的泥浆脉冲信号进行转换，使信号值位于(-1,1)区间，得到的结果为X(n)；

4)将转换后的信号X(n)载入到设计的梳状滤波器进行处理，做卷积滤波，得出滤波后的信号Y(n)；

5)作图，观察信号滤波情况，看泵冲噪声是否已被消除，至此便完成泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除工作。

2.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，其特征在于：在步骤3)中，将原始信号减去平均值，再除以信号峰值的绝对值后，才得到泥浆脉冲信号X(n)。

3.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，其特征在于：在步骤4)中，需先将设计的梳状滤波器导出为一阶响应矩阵H(n)，然后才与泥浆脉冲信号X(n)在时域内做卷积处理，得出滤波后的信号Y(n)，其中，

$Y\left(n\right)=\underset{m=-\&infin;}{\overset{m=+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(m\right)H(n-m)$

这种相乘后求和的计算法称为卷积，式中，m是每次参与求和运算的信号响应个数，n是使H(-m)位移的量，当时序n＝0时，序列H(-m)是H(m)在时序取反的结果，时序取反使得H(m)以纵轴为中心翻转180度；

假设信号X(n)的个数是n1,一阶响应矩阵H(n)的元素个数为n1，则输出的Y(n)有(n1+n2-1)个点，由于一阶响应矩阵H在小于0或者大于n2的时候都是为0的，所以上面的公式简化为：

$Y\left(n\right)=\underset{m>n-n2}{\overset{m<n}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(m\right)H(n-m)$

根据以上公式，得出滤波后的信号Y(n)。