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目前應(yīng)用到隨鉆行業(yè)的信號(hào)傳輸通道，主要有兩種泥漿脈沖傳輸與電磁波傳輸。在電磁信號(hào)通過地層傳輸時(shí)，它隨著距離的增加，數(shù)據(jù)傳輸速率的提高和地層電阻的增加而衰減。電磁波傳輸方式能夠以很高的速率傳遞信息，對(duì)鉆井液的質(zhì)量、泥漿泵流量和壓力不均等要求不高，發(fā)送的信息不受鉆井液充氣的影響。但是，采用這種傳輸方式時(shí)信號(hào)在巖石中衰減嚴(yán)重，并且易受鉆井設(shè)備和低電阻巖石的干擾。相比之下，泥漿脈沖傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)鉆井工藝無特殊限制和要求，系統(tǒng)性能可靠，傳輸距離遠(yuǎn)，并且在傳輸過程中基本不受巖石的電學(xué)性質(zhì)和周圍的地質(zhì)特性參數(shù)的影響，成為主要的隨鉆信號(hào)傳輸方式。

在泥漿脈沖信號(hào)傳輸過程中，混有多種多頻率、強(qiáng)幅度噪聲源。主要包括泥漿泵噪音、鉆具機(jī)械振動(dòng)噪音、螺桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)與井壁撞擊噪音、轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)噪音等。根據(jù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，分析各種噪音源所在頻率范圍，設(shè)計(jì)了一種FIR低通濾波器，能夠在井下復(fù)雜鉆井環(huán)境下，從不固定的多頻強(qiáng)噪聲背景下提取出有用信號(hào)。

原始脈沖信號(hào)噪音分析

泥漿壓力傳感器能夠?qū)⒛酀{壓力的物理變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖儞Q，通過高速采集電路，將電壓的變換數(shù)字化，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與分析。圖1為原始泥漿脈沖信號(hào)，圖2為泥漿脈沖信號(hào)局部放大圖。

從圖2中可以看出，脈沖編碼是采用的是PLM碼。在同步頭脈沖與數(shù)據(jù)脈沖波形上面都疊加很高的毛刺，如果泵壓不穩(wěn)定或空氣包氮?dú)獠蛔?，毛刺?huì)更大，有用信號(hào)將會(huì)被完全淹沒，在這種情況下進(jìn)行脈沖檢測(cè)與識(shí)別時(shí)很困難的。采用數(shù)字信號(hào)的時(shí)域到頻域的變換，可以分析主要噪音所在的頻率范圍，根據(jù)噪音頻率可以設(shè)計(jì)出合適的濾波器，提取有用信號(hào)。圖3為原始信號(hào)的FFT變換波形。從頻域波形中可以看出，采用截止頻率為1Hz的低通濾波器就可以將高頻噪聲濾除。

濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器本質(zhì)是按事先設(shè)計(jì)好的程序，將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸入的數(shù)字序列，從而改變信號(hào)的形式和內(nèi)容，達(dá)到對(duì)信號(hào)的加工或?yàn)V波。按沖擊響應(yīng)長度分類，數(shù)字濾波器可以分為：IIR與FIR 兩種濾波器。按頻帶分類可以分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器。

本文介紹的FIR低通濾波器，是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為hd（n）為已知，則系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系為：

y(n)=x(n)hd(n) （1）

將系統(tǒng)沖擊響應(yīng)通過加窗截?cái)嗪笙到y(tǒng)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

h(n)= hd(n)Wn(n) （2）

由式（1）與式（2）可得：

y(n)=x(n)h(n) （3）

hd(n)為理想濾波器的系數(shù)，h(n)為FIR濾波器的系數(shù)。將y(n)=x(n)h(n)，Z變化后FIR濾波器傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

                      （4）

濾波器的系數(shù)是N個(gè)單位沖激響應(yīng)h(n)，它可以由MTALAB的FDATOOL工具箱計(jì)算得到，其數(shù)值是固定的。在濾波器的實(shí)現(xiàn)過程中，首先將N個(gè)濾波器系數(shù)保存到內(nèi)存變量中。長度為N，初始化存入h(0)、h(1)、h(2)、h(N-1)。數(shù)據(jù)X(n)是不斷變換的，每一次新的數(shù)據(jù)輸入后，原來的每一個(gè)數(shù)據(jù)都要移位，同時(shí)放棄最早的數(shù)據(jù)，空出新的存儲(chǔ)位置給新的數(shù)據(jù)。

根據(jù)原始信號(hào)的分析，使用Matlab的FDAtool工具可以很方便的設(shè)計(jì)FIR濾波器。使用File菜單中的export選項(xiàng)，可以把濾波器的系數(shù)輸出到Matlab的工作空間中。濾波器采樣頻率Fs=16Hz，通帶截止頻率Fp=0.5Hz，采用Kaiser window FIR方法設(shè)計(jì)的濾波器如圖4所示。

將原始泥漿脈沖數(shù)據(jù)送到濾波器進(jìn)行計(jì)算，濾波結(jié)果見圖5所示?？梢钥吹綌?shù)據(jù)脈沖信號(hào)的毛刺已經(jīng)被剔除。經(jīng)過濾波后得到了光滑的脈沖信號(hào)波形。

對(duì)圖5的濾波后波形數(shù)據(jù)在次進(jìn)行FFT變換，分析信號(hào)所在頻率分布。如圖6所示，可以看出濾波器截止頻率以外的高頻噪音都被很好地濾除。

低頻擾動(dòng)排除算法

將上述濾波器應(yīng)用到LWD解碼軟件中，由于泥漿通道可以等效為一個(gè)一階濾波器，在脈沖閥打開時(shí)間較長時(shí)，這段時(shí)間等效為一階濾波器的電容放電，它會(huì)引起一個(gè)小脈沖擾動(dòng)，解碼軟件可能將放電后的干擾認(rèn)為是脈沖信號(hào)，而丟失了真正的脈沖信號(hào)。為了去掉由于放電后的這種擾動(dòng)，本文中設(shè)計(jì)了一種簡單實(shí)用的算法。 

在解碼程序中，加入脈沖的最大值判斷，解碼軟件可以將脈沖間隔較長的放電后的擾動(dòng)排除掉。程序執(zhí)行過程是，在每個(gè)數(shù)據(jù)的固定槽數(shù)內(nèi)，先按照上升沿的高度排序，如果上升沿個(gè)數(shù)高于所需脈沖個(gè)數(shù)，將最后兩個(gè)上升沿進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比峰峰值大小，排除峰值小的那個(gè)上升沿。

由上文可知，在LWD解碼軟件中，采用FIR低通濾波器與低頻擾動(dòng)排除算法的結(jié)合，可以將泥漿通道內(nèi)的各種高頻噪音以及低頻擾動(dòng)去掉，有助于提高脈沖解碼率，解碼穩(wěn)定可靠，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的要求。