高 爽，焦禹舜，林 鐵，孔慶鵬

（北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

0 引言

隨著油田勘探開發(fā)的不斷深入，對(duì)井眼軌跡的要求越來越精確，因此，對(duì)井斜數(shù)據(jù)的精度要求也越來越高［1］。傳統(tǒng)的測(cè)斜儀器的測(cè)量精度不夠，數(shù)據(jù)傳輸速率低，體積大，不能滿足油氣井測(cè)量?jī)x器輕小型化的迫切需求［2］。

光纖陀螺（FOG）［3，4］輕型的固態(tài)結(jié)構(gòu)使其具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、抗地磁干擾、能夠耐沖擊和振動(dòng)、瞬時(shí)啟動(dòng)、功耗低以及有很寬的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。從原理上分析，光纖陀螺用于油井測(cè)斜幾乎可以克服現(xiàn)有測(cè)斜儀器的所有缺點(diǎn)，是十分適用于油井測(cè)斜儀的角度傳感器。光纖陀螺測(cè)斜儀是基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的慣性測(cè)量單元（IMU），是一種不依賴任何外部設(shè)備，完全自主的實(shí)時(shí)而快速的測(cè)量?jī)x器。其基本原理是根據(jù)牛頓提出的相對(duì)慣性空間的力學(xué)定律［5］，利用光纖陀螺、加速度計(jì)敏感儀器沿油井井眼運(yùn)動(dòng)過程中的角速度、加速度，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行航位推算，得到油井井眼各位置的傾斜角、方位角、工具角和相應(yīng)的深度增量等參數(shù)，用以描述油井井眼軌跡。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)IMU空間結(jié)構(gòu)組成見圖1。

選擇地理坐標(biāo)系（東北天）作為系統(tǒng)導(dǎo)航坐標(biāo)系OXnYnZn，載體坐標(biāo)系OXbYbZb與測(cè)斜系統(tǒng)固聯(lián)，用來描述載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)。導(dǎo)航坐標(biāo)系經(jīng)過3次歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)（先繞Zn軸，再繞Y1軸，最后繞Z2軸）可得載體坐標(biāo)系，如圖2所示，其中，φ，θ，γ分別為儀器方位角、傾斜角和工具角。

圖1 IMU空間結(jié)構(gòu)Fig 1 Space structure of IMU

系統(tǒng)由導(dǎo)航坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的歐拉轉(zhuǎn)換矩陣可表示如公式（1）

圖2 坐標(biāo)系角位置關(guān)系Fig 2 Relationship between angular position and coordinate

地球自轉(zhuǎn)角速度和地球重力加速度在地理系的分量為

其中，L為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋豦為地球自轉(zhuǎn)角速度，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

地球重力加速度向儀器坐標(biāo)系投影得到儀器坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸的加速度分量為

在測(cè)量時(shí)，儀器相對(duì)地理系靜止，因此，陀螺敏感到的角速度即為地球自轉(zhuǎn)角速度在儀器坐標(biāo)系上投影的分量。將地球自轉(zhuǎn)角速度向儀器坐標(biāo)系上投影

由式（4）、式（5）推導(dǎo)可得出傾斜角、方位角和工具角的計(jì)算公式如下

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)總體指標(biāo)和成本要求進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。IMU主要由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、兩軸一體光纖陀螺組件、加速度計(jì)組件、小型化加速度計(jì)信號(hào)采集電路及數(shù)據(jù)處理電路組成，原理框圖見圖3。光纖陀螺組件用于敏感空間角速度，石英撓性加速度計(jì)用于敏感加速度。測(cè)量數(shù)據(jù)處理電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償、通信等功能。

圖3 系統(tǒng)整體原理框圖Fig 3 Principle block diagram of overall system

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 光纖陀螺IMU設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)光纖陀螺IMU小型化、低成本和高精度，設(shè)計(jì)陀螺IMU時(shí)采用三軸一體化光纖陀螺技術(shù)［6］，即三軸陀螺共用1個(gè)光源、1個(gè)光電探測(cè)器和3套處理電路。與傳統(tǒng)光纖陀螺IMU相比，三軸一體化光纖陀螺IMU結(jié)構(gòu)縮小60%，成本降低20%，功耗降低1倍［7］。上述技術(shù)特點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體結(jié)構(gòu)，借鑒上述技術(shù)，本系統(tǒng)采用二軸一體化光纖陀螺組合結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 兩軸一體化光纖陀螺組件結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of two-axis integrated FOG component

2.1.2 加表采集電路

由于石英撓性加速度計(jì)輸出信號(hào)是模擬電流量，根據(jù)系統(tǒng)要求，必須設(shè)計(jì)高精度的加速度計(jì)信號(hào)采集電路，同時(shí)需要把模擬量轉(zhuǎn)換成易于讀取的數(shù)字量，其原理如圖5所示。

模擬電流信號(hào)通過跨阻將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后通過INA118儀表放大器進(jìn)行放大濾波，再通過低失真的差分驅(qū)動(dòng)器AD8138將單端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)，最終由V/F變換成頻率信號(hào)，并利用光電耦合器進(jìn)行隔離，防止數(shù)模信號(hào)干擾。V/F變換采用 ADI公司的AD7742，最高工作頻率高達(dá)6.144 MHz，變換線性度好，在2.75 MHz滿刻度頻率時(shí)，最大非線性誤差為0.012%，滿足系統(tǒng)要求。

圖5 加表采集電路Fig 5 Acquisition circuit of accelerometers

2.1.3 DSC+FPGA的雙 CPU 結(jié)構(gòu)

常見的構(gòu)建導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的方案有單CPU、雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。單CPU體系結(jié)構(gòu)由DSP、ARM或者PowerPC等單CPU為核心部件［8］。雙處理器系統(tǒng)以采用DSP+單片機(jī)和DSP+通用處理器這2種組合模式比較常見［9］。

隨鉆測(cè)斜應(yīng)用中對(duì)導(dǎo)航參數(shù)的精度要求不嚴(yán)格，經(jīng)過調(diào)研采用了微芯公司的 16位處理器［10］系列dsPIC30F6014A數(shù)字信號(hào)控制器，其作為嵌入式處理器常用于工業(yè)控制、CAN總線［11，12］。而作為核心處理器應(yīng)用在測(cè)斜儀器上是一種全新的應(yīng)用設(shè)計(jì)，不僅降低了成本，而且為研制輕小型化測(cè)斜儀提供了可能。

處理器采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線［13］。內(nèi)部有144 kB片上閃存程序空間，8 kB片上數(shù)據(jù)RAM，4 kB非易失性數(shù)據(jù)EEPROM，省去外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器芯片，進(jìn)一步減小了硬件尺寸;工作速度最高可達(dá)30MIPS，滿足100ms的系統(tǒng)解算周期;2個(gè)UART，2個(gè)SPI，1個(gè)I2C總線和2個(gè)CAN總線，大量豐富的外設(shè)為系統(tǒng)內(nèi)部通信以及系統(tǒng)與上位機(jī)的通信提供較多選擇。

FPGA 選用 Altera公司暴風(fēng)3代 EP3C10U256［14］，其作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的接口電路完成對(duì)加速度計(jì)、陀螺、溫度信號(hào)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將完整的IMU數(shù)據(jù)打包通過RS—232接口發(fā)給DSC進(jìn)行導(dǎo)航解算。

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬件電路板尺寸達(dá)到了99 mm×26 mm（長(zhǎng)×寬），很好地安裝在內(nèi)徑為Φ35 mm測(cè)斜儀器中，本方案相比其他慣導(dǎo)系統(tǒng)上的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在成本、尺寸、功耗上都具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)在隨鉆測(cè)斜領(lǐng)域的微小型化的推廣應(yīng)用具有實(shí)際意義。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用VC++6.0設(shè)計(jì)了光纖陀螺IMU上位機(jī)測(cè)試顯控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)顯示、上電狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)IMU各項(xiàng)性能參數(shù)半實(shí)物仿真驗(yàn)證。

導(dǎo)航系統(tǒng)軟件主要分為2部分:導(dǎo)航解算和IMU數(shù)據(jù)采集。分別固化在DSC和FPGA中。FPGA將采集的數(shù)據(jù)打包，通過串口向 DSC每100 ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，DSC在100 ms內(nèi)導(dǎo)航解算一次并將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)與上位機(jī)協(xié)同工作，共同完成油井測(cè)斜。

系統(tǒng)工作時(shí)，先采集第一個(gè)位置的數(shù)據(jù)，然后電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，采集第二個(gè)位置的數(shù)據(jù)，最后再旋轉(zhuǎn)回初始位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相差180°的數(shù)據(jù)相減，就能抵消陀螺和加速度計(jì)的常值漂移。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 6 Flow chart of system software

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試;最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)位模擬驗(yàn)證，確定儀器測(cè)量精度。

3.1 靜態(tài)重復(fù)性試驗(yàn)

試驗(yàn)過程描述:將系統(tǒng)置于轉(zhuǎn)臺(tái)之上，測(cè)定前預(yù)熱30 min，然后進(jìn)行3組60 min靜態(tài)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 常溫靜態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試Tab 1 Static test of stability at normal temperature

試驗(yàn)結(jié)果表明:兩軸的光纖陀螺數(shù)據(jù)零偏穩(wěn)定性均在0.2°/h以內(nèi)，加速度計(jì)數(shù)據(jù)零偏穩(wěn)定性均在200 μgn之內(nèi)，以上均滿足測(cè)斜系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航解算的指標(biāo)要求。

3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)位試驗(yàn)

光纖陀螺IMU通過夾具安裝在高精度三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)上，模擬自尋北光纖陀螺測(cè)斜儀定點(diǎn)測(cè)量工作狀態(tài)，以轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)位模擬光纖陀螺測(cè)斜儀機(jī)械轉(zhuǎn)位，進(jìn)行井斜角和方位角在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)的精度測(cè)量。

調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)使傾斜角分別為 3°，30°，60°，在每一個(gè)傾斜角下分別對(duì)應(yīng)著4個(gè)方位角，并記錄相應(yīng)狀態(tài)下，系統(tǒng)輸出的傾斜角、方位角、工具面角，記錄結(jié)果如表2～表4。

表2 傾斜角3°Tab 2 Inclination angle is 3°

表3 傾斜角30°Tab 3 Inclination angle is 30°

表4 傾斜角60°Tab 4 Inclination angle is 60°

測(cè)量結(jié)果表明:輕小型二位置光纖陀螺測(cè)斜儀IMU井下三大參數(shù)的測(cè)量精度均滿足油井測(cè)斜的精度要求。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明:基于DSC+FPGA的雙CPU導(dǎo)航計(jì)算機(jī)方案在光纖陀螺測(cè)斜儀上是可行的，微小型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)軟硬件的實(shí)現(xiàn)將為同類井下測(cè)量?jī)x器電路小型化提供相應(yīng)解決思路。

在上述3種井斜角下系統(tǒng)測(cè)量的井斜角精度優(yōu)于±0.2°，方位角精度優(yōu)于 ±2°，工具面精度優(yōu)于 ±0.5°。其成本、尺寸、功耗上都具有明顯優(yōu)勢(shì)，以上設(shè)計(jì)均很好滿足了油氣井工作環(huán)境溫度較高，測(cè)量?jī)x器內(nèi)徑窄小等特殊應(yīng)用條件，達(dá)到了更具有實(shí)用意義的輕小型化。

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