CN110469326B - 一种自适应相关滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种自适应相关滤波方法，包括如下步骤：通过地面数据采集***对原始泥浆脉冲压力数据进行采集；对采集到的泥浆脉冲压力数据进行预处理；自适应选择相关基函数对预处理后的泥浆脉冲压力信号进行相关运算；对自适应相关后泥浆脉冲压力信号进行检测和识别；从同步信息中提取相关基函数；计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率。该方法通过信号解码误码率与设定阈值的比较，自适应的选择相关基函数，基于相关运算结果实现对泥浆脉冲信号的检测和识别，以达到有效泥浆脉冲信号的快速、准确、可靠识别，实现井下数据高效传输。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井、随钻测井技术领域，尤其涉及随钻测控***中的信号采集与处理方法。
背景技术
随钻测控***是指在钻井过程中，同时测量工程参数和所钻遇地层的地质和岩石物理参数，并将信息实时传送到地面上来的***。随钻测控***主要由井下控制器、各种井下参数测量仪器、数据传输***和地面信息单元组成。井下控制器用于配置各测量仪器、控制各仪器工作时序、接收和处理各种测量参数等；井下参数测量仪器负责获得各种几何、地质、工程及其他与当前钻井状态和地层相关的数据；数据传输***则采用有线或无线的信道将得到的数据以一定的编码方式传输至井口；地面信息单元一方面负责与井下控制器的互联通信、另一方面对传输信号进行滤波、解码、接收、处理及显示等。
在随钻测控技术中，数据传输***占有举足轻重的地位。数据传输方法主要包括有线电缆法、泥浆脉冲法、声波法、电磁波法及光纤法，每种方法均有其适用范围及局限性，而泥浆脉冲传输以其良好的可靠性、较低的开发成本、大范围的应用井深等整体优势，是目前使用最为广泛、发展潜力极大的数据传输方式。泥浆脉冲法是采用开关或改变钻柱中钻井液流通面积的方式，从而改变钻柱中的钻井液压力，形成一定频率和幅值的泥浆压力波信号，将该压力波以脉冲的形式传递到地面，并形成电信号以便采集、处理。常见的脉冲方式包括正脉冲、负脉冲和连续波等三种方式。
对于泥浆脉冲法，噪声的影响非常大，适当的信号检测及信号识别方法能够有效提高接收数据的正确性及可靠性。影响泥浆脉冲信号的噪声主要包括两方面，一部分噪声是由井下工具引起，传输方向跟上传脉冲信号方向一致，如钻头与井底的作用、钻柱与井壁的作用、井下涡轮发电机等所产生的泥浆脉冲压力噪声；另一部分噪声来源于地面设备，如泥浆泵、空气包等，传输方向跟上传脉冲信号方向相反。
快速有效地检测出泥浆脉冲信号，有助于控制钻井轨迹、判断钻具工作状态及评估地层特性，对降低钻井风险和提高进尺效率意义重大。但从泥浆脉冲的地面检测来看，待检测压力信号是一个被钻井泵噪声、反射噪声和一系列随机噪声（井底机械振动、钻柱失稳、泥浆摩擦等引起）所严重干扰的且强度随传输距离衰减明显的低信噪比微弱信号，尤其在某些情况下，根本无法有效检测，严重影响钻井正常工作。
由于泥浆脉冲信号的频谱多与泵噪声及其他各种噪声相互交叠，单纯频域滤波方式难以得到较为明显的脉冲波形。因此，如何从幅值较大，带宽宽广的复杂噪声背景中检测出有用信号成为了泥浆脉冲传输技术中的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种自适应相关滤波方法。该方法通过误码率与设定阈值的比较，自适应的选择相关基函数，基于相关运算结果实现对泥浆脉冲信号的检测和识别，以达到有效泥浆脉冲信号的快速、准确、可靠识别，实现井下数据高效传输。
本发明的技术方案为：
一种自适应相关滤波方法，它包括如下步骤：
S1、通过地面数据采集***对原始泥浆脉冲压力数据进行采集；
S2、对采集到的泥浆脉冲压力数据进行预处理；
S3、自适应选择相关基函数对预处理后的泥浆脉冲压力信号进行相关运算；
S4、对自适应相关后泥浆脉冲压力信号进行检测和识别；
S5、从同步信息中提取相关基函数；
S6、计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率。
上述方案进一步包括：
所述S2的泥浆脉冲压力数据预处理包括对运算窗口内原始泥浆脉冲压力数据的频谱分析、低通滤波处理、直流分量去除；
所述S3的自适应选择相关基函数是通过如下步骤来实现的：
1）若解码程序为首次运行，相关基函数由用户指定，包括三角波、方波、钟形函数，如不进行选择则默认为一种相关基函数；
2）若解码程序非首次运行，则根据最后一次计算的泥浆脉冲压力信号误码率与设定阈值的大小关系自适应确定相关基函数，具体来说，当误码率大于设定阈值时，则采用从同步信息中提取的相关基函数作为相关基函数，当误码率不大于设定阈值时，保持原相关基函数不变；
所述S4的对自适应相关后泥浆脉冲压力信号进行检测和识别包括如下步骤：
1）求取运算窗口内自适应滤波后信号的幅度的平均值作为信号基值；
2）自适应滤波后信号减去该基值，若差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲；
3）若检测到编码脉冲，则进一步搜寻跳变值的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于解码；
4）根据已识别的脉冲的相对位置，通过计算脉冲间隔完成脉冲解码；
所述S5的从同步信息中提取相关基函数是指，若运算窗口内存在同步头脉冲，则自动提取出同步脉冲的最后一个脉冲作为相关基函数的原型，然后对该原型进行简单的滤波及噪声消除处理，从而提取出相关基函数，对原保存的同步信息提取相关基函数进行更新；若运算窗口内并不存在同步头脉冲，则原保存的同步信息提取相关基函数不变。
所述的运算窗口是指泥浆脉冲信号检测识别程序每次处理的数据窗口内的数据。
所述地面数据采集***包括设置在钻柱底部、钻头的上方安装有泥浆脉冲发生器和安装在立管上的泥浆脉冲压力传感器。
本发明所述的一种自适应相关滤波方法具有的有益效果是，该方法在在充分依据随钻泥浆脉冲信号产生、传输及加噪特性的基础上，通过对同步信息进行相关基函数提取，并根据解码误码率大小进行自适应的选择相关基函数，该方法简单可靠，能有效获得高信噪比的泥浆脉冲信号，有效提高信号检测和识别精度，具有很大的实用价值。
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
附图说明
图1是自适应相关滤波方法流程图；
图2是泥浆脉冲压力信号采集***示意图；
图3是原始泥浆脉冲压力信号波形图；
图4是原始泥浆脉冲压力信号频谱分布图；
图5是低通滤波后信号波形图；
图6是去直流分量后信号波形图；
图7是采用自适应相关滤波后信号波形图；
图8是泥浆脉冲压力信号进行检测和识别效果图；
图9从同步信息中提取相关基函数。
具体实施方式
下面结合说明书附图对该自适应相关滤波方法进行详细说明。
如图1所示为一种自适应相关滤波方法的流程图，主要包括原始泥浆脉冲压力数据采集S1、数据预处理S2、自适应选择相关基函数进行相关运算S3、对泥浆脉冲压力信号进行检测和识别S4、从同步信息中提取相关基函数S5、计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率S6。
进一步的，本发明实施例以采集的一段随钻泥浆脉冲压力信号的处理过程为例，对发明内容深入阐述。
（1）原始泥浆脉冲压力数据采集
图2为泥浆脉冲压力信号采集***示意图。对于泥浆脉冲信号流通通道，在钻柱底部、钻头的上方安装有泥浆脉冲发生器，用于传输井下随钻测量信息。将井下信息编码，并通过泥浆脉冲发生器调制，泥浆脉冲发生器根据编码调制规则采用开关或改变钻柱中钻井液流通面积的方式，改变钻柱中的钻井液压力，形成一定频率和幅值的泥浆脉冲压力信号，该泥浆脉冲压力信号携带井下信息，沿着钻柱内钻井液向上传播，传输至地面。地面上安装在立管上的泥浆脉冲压力传感器对泥浆脉冲压力信号进行检测，并将检测到的模拟信号转换为数字信号，并经过地面接口箱传输给计算机。通过原始泥浆脉冲压力数据采集***采集到的原始泥浆脉冲压力信号波形如图3所示。
（2）数据预处理
数据预处理包括对运算窗口（泥浆脉冲信号检测识别程序每次处理的数据窗口内的数据）内原始泥浆脉冲压力数据的频谱分析、低通滤波处理、直流分量去除。
本实施例原始泥浆脉冲压力信号频谱分布如图4所示，横坐标表示频率，纵坐标表示幅度，通过频谱分布可以获知采集的原始泥浆脉冲压力信号的各频率分量以及有效信号的频率及主要干扰源的频率。
进一步的，由于泥浆脉冲有效信号是一个低频信号，因此信号中的高频部分都是干扰。根据原始泥浆脉冲压力数据的频谱分析结果，可以确定低通滤波器的参数，低通滤波器的类型可选择巴特沃斯、切比雪夫、窗函数等，本实施例中选用的是FIR低通滤波器。本实施例低通滤波后信号波形如图5所示。
由于实际信号信道的影响，信号的直流电平有较大幅度的波动，这对于泥浆脉冲有效信号的检测是一种很大的干扰。直流分量可以直接将信号值平均而得到，在其求取过程中，平均长度既不能过长，以至于不能反映直流量随时间的变化，平均长度也不能过短，以至于将正常的信号幅度调制损失掉。本实施例去直流分量后信号波形如图6所示。
（3）自适应选择相关基函数进行相关运算
自适应选择相关基函数是通过如下步骤来实现的：
1）若解码程序为首次运行，相关基函数由用户指定，如三角波、方波、钟形函数等，如不进行选择则默认为一种相关基函数；
2）若解码程序非首次运行，则根据最后一次计算的泥浆脉冲压力信号误码率与设定阈值的大小关系自适应确定相关基函数，具体来说，当误码率大于设定阈值时，则采用从同步信息中提取的相关基函数作为相关基函数，当误码率不大于设定阈值时，保持原相关基函数不变。
本实施例中采用自适应相关滤波后信号波形如图7所示，采用自适应相关滤波方法可以压低噪声的幅值，有效提高了信号的信噪比，有利于对有效泥浆脉冲信号的检测和识别。
（4）对泥浆脉冲压力信号进行检测和识别
对泥浆脉冲压力信号进行检测和识别包括如下步骤：
1）求取运算窗口内自适应滤波后信号的幅度的平均值作为信号基值；
2）自适应滤波后信号减去该基值，若差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲；
3）若检测到编码脉冲，则进一步搜寻跳变值的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于解码；
4）根据已识别的脉冲的相对位置，通过计算脉冲间隔完成脉冲解码。
本实施例泥浆脉冲压力信号进行检测和识别效果如图8所示，图中黑粗线代表信号基值，圆圈标注的部分为识别的脉冲位置。
（5）从同步信息中提取相关基函数
从同步信息中提取相关基函数是指，若运算窗口内存在同步头脉冲，则自动提取出同步脉冲的最后一个脉冲作为相关基函数的原型，然后对该原型进行简单的滤波及噪声消除处理，从而提取出相关基函数，对原保存的同步信息提取相关基函数进行更新，本实施例从同步信息中提取相关基函数如图9所示；若运算窗口内并不存在同步头脉冲，则原保存的同步信息提取相关基函数不变。
（6）计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率
根据编码规则及码元自身的校验标准（奇偶校验、累积和校验、CRC校验等），在对泥浆压力脉冲信号解码过程中可确定成功解码及误码的数目，根据公式：误码率=传输中的误码/所传输的总码数×100%，可计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率。
Claims (3)
1.一种自适应相关滤波方法，其特征在于，它包括如下步骤：
S1、通过地面数据采集***对原始泥浆脉冲压力数据进行采集；
S2、对采集到的泥浆脉冲压力数据进行预处理；
S3、自适应选择相关基函数对预处理后的泥浆脉冲压力信号进行相关运算；
S4、对自适应相关后泥浆脉冲压力信号进行检测和识别；
S5、从同步信息中提取相关基函数；
S6、计算泥浆脉冲压力信号的解码误码率；
所述S2的泥浆脉冲压力数据预处理包括对运算窗口内原始泥浆脉冲压力数据的频谱分析、低通滤波处理、直流分量去除；
所述S3的自适应选择相关基函数是通过如下步骤来实现的：
1）若解码程序为首次运行，相关基函数由用户指定，包括三角波、方波、钟形函数，如不进行选择则默认为一种相关基函数；
2）若解码程序非首次运行，则根据最后一次计算的泥浆脉冲压力信号误码率与设定阈值的大小关系自适应确定相关基函数，具体来说，当误码率大于设定阈值时，则采用从同步信息中提取的相关基函数作为相关基函数，当误码率不大于设定阈值时，保持原相关基函数不变；
所述S4的对自适应相关后泥浆脉冲压力信号进行检测和识别包括如下步骤：
1）求取运算窗口内自适应滤波后信号的幅度的平均值作为信号基值；
2）自适应滤波后信号减去该基值，若差值超出了预设的门限值，则认为已经检测到编码脉冲；
3）若检测到编码脉冲，则进一步搜寻跳变值的局部最大值，记录此局部最大值的位置，用于解码；
4）根据已识别的脉冲的相对位置，通过计算脉冲间隔完成脉冲解码；
所述S5的从同步信息中提取相关基函数是指，若运算窗口内存在同步头脉冲，则自动提取出同步脉冲的最后一个脉冲作为相关基函数的原型，然后对该原型进行简单的滤波及噪声消除处理，从而提取出相关基函数，对原保存的同步信息提取相关基函数进行更新；若运算窗口内并不存在同步头脉冲，则原保存的同步信息提取相关基函数不变。
2.根据权利要求1所述的一种自适应相关滤波方法，其特征在于，所述的运算窗口是指泥浆脉冲信号检测识别程序每次处理的数据窗口内的数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种自适应相关滤波方法，其特征在于， 所述地面数据采集***包括设置在钻柱底部、钻头的上方安装有泥浆脉冲发生器和安装在立管上的泥浆脉冲压力传感器。
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