劉天時， 魏　雨， 趙　越， 邱　彬

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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隨鉆脈沖曼碼信號處理研究*

劉天時1， 魏雨1， 趙越1， 邱彬2

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

摘要:隨鉆測量過程中，井下隨鉆測量信號通過鉆井液脈沖方式傳輸?shù)降孛?，地面采集到的信號往往包含了各種噪聲和干擾，為了正確地恢復(fù)源信號，采用基于最小均方的自適應(yīng)噪聲對消算法。同時，利用改進(jìn)鎖相環(huán)方法來正確地恢復(fù)時鐘，尋找準(zhǔn)確的采樣點(diǎn)。通過現(xiàn)場采集的鉆井液脈沖信號進(jìn)行驗(yàn)證，曼碼信號處理能成功恢復(fù)碼子，還原有效信息。

關(guān)鍵詞:隨鉆測量； 曼碼； 最小均方； 時鐘恢復(fù)； 自適應(yīng)噪聲對消

0引言

目前，隨鉆測量在工程上主要采用鉆井液脈沖編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無線傳輸通信，該技術(shù)運(yùn)用時間長，發(fā)展成熟[1,2]。但是，由于鉆井環(huán)境復(fù)雜惡劣，泥漿、壓力和地質(zhì)條件以及井深等條件的限制，隨鉆測量中井口采集到的鉆井液脈沖信號往往包含各種噪聲和干擾，同時信號易發(fā)生頻偏，直接影響信號恢復(fù)結(jié)果的正確性。因而，正確可靠地恢復(fù)出原始信息，實(shí)時了解井下參數(shù)和控制井眼軌跡尤為重要[3]。本文針對井下隨鉆測量信號采用自適應(yīng)信號處理技術(shù)，并進(jìn)行時鐘恢復(fù)處理，還原有效信息。

1隨鉆測量脈沖信號特點(diǎn)

隨鉆測量通過鉆井液脈沖傳遞信息，鉆井液脈沖信號實(shí)質(zhì)是先將井下信息轉(zhuǎn)換為電信號[4]，然后再通過泥漿泵轉(zhuǎn)換為壓力脈沖信號，以鉆井液為介質(zhì)將信號傳輸?shù)降孛鎇5]。地面檢測到泥漿壓力接收脈沖信號后再解碼，從而獲取隨鉆參數(shù)。

2隨鉆脈沖信號曼碼處理

本文隨鉆脈沖信號采用曼徹斯特編碼，簡稱曼碼。首先對接收到的信號進(jìn)行處理，去除噪聲和干擾。處理系統(tǒng)主要采用基于最小均方的自適應(yīng)噪聲對消方法進(jìn)行信號處理，然后對處理后的信號采用改進(jìn)的時鐘恢復(fù)機(jī)制，尋找采樣時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，其流程如圖1所示。

圖1　曼碼信號處理系統(tǒng)流程圖Fig 1　Flow chart of Manchester code signal processing system

2.1自適應(yīng)信號處理

信號處理方法主要包括低通、高通和帶通濾波，在實(shí)際應(yīng)用中均有一定的限制和弊端[6,7]。自適應(yīng)是信號處理的一種方法[8,9]，可恢復(fù)出原始信息[9]，即具有“跟蹤”“自學(xué)習(xí)”的能力[10]。

自適應(yīng)干擾對消最小均方算法是通過不斷地調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器參數(shù)，最終使得信號估計(jì)的均方誤差最小[11]。然后從原信號中去除噪聲干擾，恢復(fù)出原始信息。其具體原理如下：

根據(jù)曼碼信號的特點(diǎn)，恢復(fù)原始信息[12～15]，其輸入信號為

y(n)=d(n)+n0.

(1)

其中，d(n)為發(fā)送的源信號，n0為高斯白噪聲信號。

對輸入信號進(jìn)行去直流得

yAC(n)=y(n)-yDC.

(2)

(3)

誤差信號為e(n)，即自適應(yīng)處理的輸出

(4)

化簡為

(5)

將式(5)兩邊取平方，求期望得到

E[e2(n)]=

(6)

由于噪聲干擾與發(fā)送信號是不相關(guān)的，上式可表示為

(7)

逐步調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，使E[e2(n)]最小化時，源信號能量E[d2(n)]是固定不變的，從而輸出最小能量為

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2自適應(yīng)噪聲對消

自適應(yīng)干擾對消原理如圖2所示。其輸入為接收到的泥漿壓力脈沖信號[16]，參考控制輸入端為相應(yīng)的噪聲,誤差輸出是去除噪聲干擾的信號。

圖2　自適應(yīng)噪聲對消流程Fig 2　Flow chart of adaptive noise canceling

2.3隨鉆脈沖接收信號處理與分析

對實(shí)際的隨鉆測量信號采用上述自適應(yīng)干擾對消方法進(jìn)行信號處理，如圖3所示。其中,深色線條表示接收器采集到的信號，淺色線條表示處理后的信號。

圖3　信號自適應(yīng)濾波處理結(jié)果Fig 3　Result of signal after adaptive filtering

由圖3可見，經(jīng)過自適應(yīng)干擾對消處理后的信號，在一定時間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。截取達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的處理信號，如圖4所示。

圖4　穩(wěn)定態(tài)信號Fig 4　Stable state signal

圖4中深色為原始信號，淺色為處理后的信號，可以看出，從噪聲中恢復(fù)出的曼碼源信號得到保留，其他噪聲干擾得到很好地抑制，從而達(dá)到了消除噪聲干擾的目的。

3時鐘恢復(fù)

3.1曼碼時鐘恢復(fù)存在的問題

信號在通信過程中由于受信道的影響，頻率會發(fā)生偏移。為了穩(wěn)定高效地恢復(fù)原始信息，時鐘恢復(fù)顯得尤為重要[17]。

3.2改進(jìn)鎖相環(huán)方法

在原始鎖相環(huán)基礎(chǔ)上，為了達(dá)到更高的靈敏度，提出以下鎖相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其流程見圖5所示。

圖5　曼碼時鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)流程Fig 5　Flow chart of Manchester code clock recovery closed-loop system

先對輸入信號通過限幅放大器(LA)進(jìn)行限幅處理，然后，依次通過數(shù)據(jù)集成調(diào)制器(SM)、數(shù)據(jù)積分器(DI)、誤差積分器(EI)和誤差集成調(diào)制器(EM)，由誤差集成調(diào)制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號，控制鎖相環(huán)電路。根據(jù)鎖相濾波器輸出，控制壓控振蕩器(VCD)產(chǎn)生三個輸出，其中，第一個輸出信號用于控制采集數(shù)據(jù)積分裝置，使數(shù)據(jù)積分裝置完成一個完整的周期采樣；第二個輸出信號用于采集誤差積分裝置，使誤差積分裝置完成半個周期采樣；第三個輸出信號為時鐘信號，控制兩個D觸發(fā)器，進(jìn)行信號處理，其輸出為不歸零(NRZ)信號輸出。數(shù)據(jù)積分與誤差積分輸出信號控制誤差調(diào)制器輸出，再調(diào)節(jié)電壓控制振蕩器(VCD)輸出，從而構(gòu)成時鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)積分(DI)和誤差積分(EI)輸出控制相位鎖存(PLD)，由PLD信號輸出。

曼碼時鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)各部分輸出波形見圖6所示。對自適應(yīng)處理后的泥漿脈沖信號采用上述時鐘恢復(fù)技術(shù)得到時鐘信號，如圖7所示。可以看出，此方法能正確地恢復(fù)系統(tǒng)時鐘，有效控制抽樣器譯碼。

圖6　時鐘恢復(fù)閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形Fig 6　Output waveform of clock recovery closed-loop system

圖7　處理后的信號及其時鐘Fig 7　Signal after processing and its clock

4結(jié)論

本文對現(xiàn)場采集的泥漿壓力脈沖信號采用自適應(yīng)干擾對消技術(shù)，消除噪聲干擾，恢復(fù)源信號，并運(yùn)用改進(jìn)鎖相環(huán)方法進(jìn)行時鐘恢復(fù)，控制抽樣。

1)對采集的泥漿壓力脈沖信號運(yùn)用自適應(yīng)干擾對消方法進(jìn)行信號處理，根據(jù)實(shí)際的時間和精度要求，選取適當(dāng)?shù)臑V波器長度和調(diào)整因子，可以有效地去除鉆井液脈沖信號噪聲和干擾，其操作簡單，處理結(jié)果穩(wěn)定。

2)對自適應(yīng)干擾對消處理后的信號進(jìn)行時鐘恢復(fù)，結(jié)果表明，改進(jìn)鎖相環(huán)方法能有效地恢復(fù)出系統(tǒng)時鐘。

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Research of Manchester code signal processing in measurement while drilling*

LIU Tian-shi1, WEI Yu1, ZHAO Yue1, QIU Bin2

(1.School of Computer Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China;2.School of Electronic Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China)

Abstract:Drilling fluid telemetry system is particularly adapted for telemetry of information from the bottom of a borehole to the surface by mud pulse systems,but the signal often contains a variety of noise,in order to correctly recover the original signal,based on least mean-squares adaptive noise canceling algorithm is adopted.At the same time, applying an improved phase-locked loop method to correctly recover clock, and look for accurate sampling point.By drilling fluid pulse signal acquired on the field, it is verified that the Manchester code signals processing can recover the original code accurately and restore efficient information.

Key words:measurement while drilling; Manchester code; least mean-squares; clock recovery; adaptive noise canceling

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0029—04

收稿日期：2015—12—07

*基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012JM8037)； 西安石油大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文培育資助項(xiàng)目(2014YP130612)

中圖分類號:TN 911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0029—04

作者簡介:

劉天時(1960-)，男，陜西西安人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)。

魏雨，通訊作者，E—mail：happyweiyu@126.com。