殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長(zhǎng)沙學(xué)院 電子與通信工程系，長(zhǎng)沙 410003）

新型極低頻信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)的研制

殷科生，張志剛，劉文彥，馮 婉

（長(zhǎng)沙學(xué)院 電子與通信工程系，長(zhǎng)沙 410003）

針對(duì)鉆井勘探系統(tǒng)自身特點(diǎn)和極低頻理論的要求，設(shè)計(jì)了一種基于極低頻信號(hào)技術(shù)的遙測(cè)系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹了其中接收機(jī)部分的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)表明，所研制的新型極低頻信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)性能好、可靠性高，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

極低頻信號(hào)；遙測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)處理

0 引言

極低頻信號(hào)具有很強(qiáng)的穿透能力，因此不受地表水體、其他物體和地下特殊巖層的屏蔽，這可以彌補(bǔ)鉆井勘探對(duì)這些地質(zhì)體以下反射弱的缺陷。基于極低頻信號(hào)遙測(cè)技術(shù)的鉆井勘探設(shè)備，具有便攜、易操作、采集數(shù)據(jù)快、探測(cè)深度大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和野外探測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)，在鉆井系統(tǒng)中具備一個(gè)先天條件，即鉆桿作為動(dòng)力設(shè)備之外，也是一段很長(zhǎng)的金屬導(dǎo)體，它的尺寸符合極低頻理論對(duì)天線的要求[2]。本文將介紹基于極低頻信號(hào)遙測(cè)技術(shù)的以鉆桿為天線的遙測(cè)系統(tǒng)及其接收機(jī)的研制。

1 新型遙測(cè)系統(tǒng)及其接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，系統(tǒng)由兩部分組成：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)隨鉆桿放至鉆孔內(nèi)，發(fā)射機(jī)前端的傳感器把被測(cè)多路參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)一次調(diào)制轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號(hào)，經(jīng)井下單片機(jī)將數(shù)據(jù)碼和控制碼轉(zhuǎn)換為串行碼，再進(jìn)行頻率調(diào)制，二次調(diào)制后的信號(hào)送到發(fā)射機(jī)的功率放大器，然后通過(guò)天線發(fā)射出去。發(fā)射天線由鉆桿和井上鉆架組成，鉆桿和發(fā)射機(jī)之間用絕緣桿隔開(kāi)。從鉆桿發(fā)射出的信號(hào)，經(jīng)地層傳至地面，接收系統(tǒng)將鉆井架和離鉆井架30米左右的兩點(diǎn)電位差作為輸入信號(hào)。接收機(jī)把收到的信號(hào)放大，去干擾、解調(diào)，在同步脈沖的作用下分離出測(cè)量數(shù)據(jù)碼，經(jīng)數(shù)據(jù)綜合處理后，存儲(chǔ)和顯示測(cè)量結(jié)果[2]。

圖1 鉆井遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，接收機(jī)采用單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)架。接收機(jī)各部分的功能主要包括：信號(hào)放大及整形處理、對(duì)2FSK信號(hào)的濾波、2FSK信號(hào)的位同步提取和解調(diào)、測(cè)量數(shù)據(jù)碼的提取與數(shù)據(jù)綜合處理、線性參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示與系統(tǒng)抗干擾措施。

2 信號(hào)放大、濾波、位同步與解調(diào)

圖2 接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

輸入信號(hào)來(lái)源于微弱的地信號(hào)，其中既有調(diào)制信號(hào)又夾雜著很強(qiáng)的噪聲，并且隨著鉆頭鉆進(jìn)的深度變化，信號(hào)的輸入動(dòng)態(tài)范圍很大，因此需要把有用信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)放大，便于后續(xù)電路檢出基帶信號(hào)并捕捉到位同步信息。系統(tǒng)選用的精密數(shù)據(jù)放大器AD524的芯片內(nèi)部就集成了輸入保護(hù)電路，并具備阻隔直流、高輸入阻抗和高共模抑制比、能完成動(dòng)態(tài)范圍大的輸入信號(hào)的放大的功能，從AD524輸出的脈沖串的形狀不一定規(guī)則，經(jīng)光電耦合再送至整形電路處理。

為了保證濾波效果，采用了兩級(jí)數(shù)字濾波法，它是去極值平均濾波與低通濾波法的結(jié)合。它的算法為，用放大、整形處理過(guò)的每個(gè)2FSK矩形脈沖的下降沿去申請(qǐng)中斷，在每相鄰的兩次中斷之間，計(jì)數(shù)終值即為采樣值，連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時(shí)找出其中最大值與最小值，再?gòu)睦奂雍椭袦p去最大值與最小值，按n-2個(gè)采樣值求平均即得有效采樣值。數(shù)字濾波在頻率較低時(shí)，可非常有效地實(shí)現(xiàn)模擬濾波器的特性。

2FSK信號(hào)的位同步提取由監(jiān)控程序進(jìn)行控制和管理，它完成初始化、自檢、更改狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、中斷服務(wù)及參數(shù)選擇等多項(xiàng)任務(wù)。2FSK信號(hào)的解調(diào)用軟件實(shí)現(xiàn)，設(shè)置了同步跟蹤和失步強(qiáng)行跳轉(zhuǎn)功能，在測(cè)頻過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)所測(cè)結(jié)果實(shí)行單一方向移動(dòng)跟蹤搜索，并在自動(dòng)診斷嚴(yán)重失步后，強(qiáng)行跳轉(zhuǎn)到位同步軟件中去，從而實(shí)現(xiàn)位同步的智能化。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)碼的提取與數(shù)據(jù)綜合處理

主要包括數(shù)據(jù)分離數(shù)據(jù)串變并、數(shù)據(jù)判錯(cuò)、數(shù)據(jù)鎖存、數(shù)據(jù)變換與處理等幾個(gè)方面。數(shù)據(jù)分離軟件功能模塊，完成從連續(xù)不斷的基帶脈沖序列中，識(shí)別出每一幀的幀頭，并將兩路測(cè)量數(shù)據(jù)與奇偶校驗(yàn)位從中分離出來(lái)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，在測(cè)量數(shù)據(jù)作轉(zhuǎn)換和鎖存之前，調(diào)用濾波功能中的去極植濾波處理子程序進(jìn)行處理，從而剔除因奇校驗(yàn)未能判錯(cuò)的錯(cuò)誤碼值。為適應(yīng)發(fā)射機(jī)前端兩路傳感器測(cè)量到井下壓力和溫度的數(shù)字量值，接收機(jī)端要分別進(jìn)行線性參數(shù)標(biāo)度變換和參數(shù)設(shè)置，使得測(cè)量精度盡可能地得到提高，使接收機(jī)的實(shí)用性與靈活性增強(qiáng)，可適用于測(cè)量范圍更廣的工程測(cè)量。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

本系統(tǒng)分別在實(shí)驗(yàn)室與模擬工程條件下進(jìn)行了全面的試驗(yàn)。直通式實(shí)驗(yàn)，用另一臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的2FSK信號(hào)，信號(hào)的幅值經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)衰減網(wǎng)絡(luò)后，直接接入到接收儀的信號(hào)輸入端，比如壓力值從0Mpa到100Mpa按大約0.3Mpa的遞增量依次逐增，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，從沒(méi)發(fā)現(xiàn)過(guò)去數(shù)據(jù)或錯(cuò)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，其他數(shù)據(jù)測(cè)試亦正?！，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，接收儀的輸入信號(hào)來(lái)源于兩個(gè)地電位差，用一組電纜耦合線圈去耦合接收發(fā)射機(jī)輸出負(fù)載線圈上的2FSK信號(hào)，并以此作為接收機(jī)的輸入信號(hào)，為了更真實(shí)地模擬工程條件，人為地在周圍施加多種干擾源，兩耦合線圈在50cm范圍內(nèi)，接收機(jī)工作一切正常。

5 結(jié)論

以上分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，基于極低頻信號(hào)遙測(cè)技術(shù)的以鉆桿為天線的遙測(cè)系統(tǒng)及其接收機(jī)，具備良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和工程應(yīng)用價(jià)值。其中對(duì)極低頻遙測(cè)技術(shù)中位同步碼與幀同步碼的提取，2FSK信號(hào)的解調(diào)及數(shù)據(jù)分離等技術(shù)均采用軟件實(shí)現(xiàn)，其性能好、可靠性高。作為一臺(tái)新型智能儀器，可望在石油、煤炭、地質(zhì)勘探中得以推廣應(yīng)用。

[1] 侯貴廷, 衣學(xué)磊, 等. 超長(zhǎng)電磁波遙測(cè)技術(shù)在渤海深部油氣勘探中的應(yīng)用[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001,37(1)： 81-86.

[2] 殷科生, 盛旺, 等. 以鉆桿為天線的鉆井遙測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 19(5)： 60-61.

Development of a new telemetry system for extrem-low frequency signal

YIN Ke-sheng, ZHANG Zhi-gang, LIU Wen-yan, FENG Wan

TP873

A

1009-0134(2011)5(下)-0152-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).48

2010-11-22

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（09C121）

殷科生（1975－），男，湖南邵陽(yáng)人，副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。