油水井瞬變電磁套損探測中取樣積分電路的研究

西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 李志強 宋美華 張文輝

油水井瞬變電磁套損探測中取樣積分電路的研究

西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 李志強 宋美華 張文輝

為了實現從強噪聲中提取微弱信號,本文以瞬變電磁理論為基礎，通過對瞬變電磁信號特征進行研究分析，選擇利用取樣積分這種檢測微弱信號的手段對瞬變電磁晚期信號進行提取，并結合硬件電路進一步降低噪聲的影響，實現從強噪聲信號中提取毫伏級信號。實驗結果表明,取樣積分方法改善了系統的信噪比,提高了信號的識別能力,在一些具體應用中也取得了良好的效果。

瞬變電磁；套損探測；取樣積分電路

引言

對于瞬變電磁探測的晚期信號而言，信號不但微弱，而且淹沒于噪聲之中，用普通AD無法測量，如果將信號直接放大進行測量，噪聲也同時會被放大，無法從中得到有用數據,這就需要用一種微弱信號檢測的手段來提取出有用信號。而取樣積分法電路就是適合于檢測瞬變電磁晚期微弱信號的一種行之有效的方法。取樣積分法提出在20世紀50年代，并由美國科學家Klein于1962年在加州勞倫茨實驗室用硬件手段實現了取樣積分，并將其形象的命名為BOXCAR積分器[1]。此種方法對于識別強噪聲干擾條件下的快速變化的微弱信號十分有用，并且廣泛應用在醫學、生物、物理及化學等科研領域。

1 瞬變電磁法理論及其信號特點

1.1 瞬變電磁理論

瞬變電磁理論是由經典電磁學理論衍生出的一種時間域電磁檢測方法，它不是采用傳統的單頻連續信號激發源磁場，而是以有間歇的周期性階躍脈沖作為激勵信號。階躍脈沖的頻率范圍比較寬，因此兩種實現方式雖各異但都可通過傅里葉變換和頻域分析聯系起來。在發射線圈中的脈沖電流關斷時，接收線圈以及包括金屬套管在內的周圍地層介質由直接變化的源磁場感應出交變場，稱為一次場信號；這種激發方式具有瞬時和平面波場的特點[2]，其在早期主要由高頻信號分量組成，并由于趨膚效應在各介質層表面開始產生感應渦流，反應的是淺層的地質信息。隨后一次場的感應渦流向介質內部逐步以“煙圈”形式傳播，由于其能量衰減變化而在各介質界面上激發出新的電磁場，成為對應的二次場信號。

在發射電流徹底關斷后，由于一次場能量不斷衰減而趨于消失，只剩下二次感應渦流磁場的相互作用，它的傳播衰減速率與介質形狀、電導率等因素的影響密切相關；當到感應渦流擴散傳播的晚期時，二次場衰減變緩，信號主要為低頻分量，反映的則是較深層處的地質信息。接收線圈中由二次場變化產生的感應電動勢，正是對介質特性參數信息的直接性反映，而且在時間上可以與一次感應電動勢分開，TEM的收發波形如圖1所示。

圖1 TEM收發波形示意圖

圖2 瞬變電磁信號衰減特性示意圖

1.2 瞬變電磁信號特點

瞬變電磁接收系統所要測量的信號與時間有關，是一個隨時間呈指數衰減變化的信號。衰減的速度與導體的時間常數有關，良導體初始響應不大，衰減速度慢；非良導體初始響應大，衰減速度快。對于不同的探測深度，所需要的時間范圍也不同，探測深度越深，所需要的時間范圍跨度就越大，例如探測油氣田時，深度可達1～5km，那么其時間范圍在nms到n×10s[3]。由于信號是呈指數衰減變化，那么在如此大的時間范圍里信號的動態范圍也就很大，通常在100dB以上，信號的衰減規律如圖2所示。

從圖2中可以看出瞬變電磁信號在各個時期變化相當大，跨度可從幾伏到幾微伏甚至到納伏級別，早期信號衰減速度快幅值大，晚期信號幅值小衰減速度慢，因此對不同時期信號的測量，無論在方式還是方法上都要根據信號特點區別對待。對于早期信號需要很窄的采樣間隔和門寬才能準確捕捉信號特性，而對于晚期信號，則需增大采樣間隔和門寬以適應其信號微弱且衰減慢的特性[4]。早期信號反應的是地下淺層地質信息，晚期信號則反應的是地下深層地質信息，因此關注的重點應該放在晚期信號的提取分析上。

由于瞬變電磁系統的工作環境是在野外作業，而且其晚期信號十分微弱，必然會受到外部電磁噪聲的干擾，也就是說想要得到有效信號就必須使用一定的技術方法和手段抑制和去除噪聲干擾。

2 取樣積分原理及其電路分析

2.1 取樣積分原理

取樣積分是利用信號累加的手段，放大有用信號，抑制噪聲。對于周期信號而言，利用其信號重復性，對每一周期內相同位置信號進行同步累加。假設輸入信號是一個不含噪聲的周期信號，那么經過取樣積分其得到結果就是取樣點信號的累加，將其結果經過換算后就可得到輸入信號被取樣點的瞬時值。如果信號淹沒于隨機噪聲之中，那么由于噪聲的隨機性，其前后不相關，進行多次累加后，通常累加次數在數百次以上，就可以通過累加使隨機噪聲前后抵消，累計次數越多噪聲的平均值就會越小，這就使得噪聲大幅度削弱，有用信號也通過累加的方式得到了放大[5]。

取樣積分是TEM儀器常用的一種信號取樣方法，其主要是為了適應接收的瞬變響應早期幅值大、衰減快，而晚期幅值小、衰減慢的特性，采用程控開關對運放和電阻、電容組成的模擬積分電路的積分開始時間和窗口時長進行控制，電路原理如圖3所示。當控制芯片使模擬開關K1接通而K2、K3斷開時，信號通過限流電阻給反饋電容充電，電容上的電壓為輸入信號的疊加，即：

將積分輸出信號作為AD芯片的采樣輸入，再使K1斷開而K2、K3接通，電容兩端相接并通過電阻放電，以確保下個積分采樣從零狀態開始。

圖3 模擬積分采樣電路原理

正交放置的三個探頭中，橫向短探頭B和C信號衰減速度快，縱向長探頭A信號衰減速度慢，故如上所述對它們進行分時采集時，采樣的間隔及積分窗口時長應在不同時期有所不同。橫向短探頭B和C采樣時間間隔及積分窗口門寬都必須相當窄，以保證精確地分辨信號的衰減特性。縱向長探頭A采樣間隔及門寬應適當增大，以適應弱信號緩慢衰減的特性。因此本系統對橫向短探頭B和C采用快速等間隔采樣，縱向長探頭A采用近似等對數間隔采樣[16]，采樣方法如圖4所示。在這種采樣方法中，先確定前一取樣通道的起始點及數據窗寬，再由這個數據窗寬確定下一采樣通道的窗寬，使各個采樣窗口的寬度為1.2倍的關系，這樣可以適應瞬變信號特點并且有利于對采樣值做數學處理。

圖4 取樣積分方案示意圖

對探傷儀系統的三分量探頭運用積分采樣方法，還可以用程控開關改變限流電阻阻值的大小，從而改變積分時間常數的值也即控制充放電的快慢，這非常適用于探頭模擬響應信號的衰減時間量級相差很大時的積分采樣處理，結合井下系統控制芯片對的控制將會使系統的積分采樣方案更加靈活和完善。

2.2 取樣積分電路

瞬變二次場信號動態范圍大、早期信號幅值大，衰減速度快，晚期，信號幅值微弱，衰減時間長，所以采取模擬積分采樣方式。通過單片機控制對不同的磁探頭信號進行分時采集，并通過選擇不同的積分電阻對信號進行累加，以提高信噪比、采樣的精度與分辨率，可以進一步減小信號的動態范圍，電路如圖5所示。

圖6 （a） 積分前的信號

圖6 （b） 積分后的信號

圖5 積分電路

在圖5中，輸入是可變增益電路的輸出信號，其工作原理如下：通過單片機控制模擬開關U1的導通與關斷對磁探頭信號進行分時采集，U1同時控制信號經過不同的限流電阻連接到運算放大器OP27的反向輸入端，選擇不同的限流電阻是為了防止信號出現截止。U2作為模擬積分取樣的控制信號用來確定取樣的開始時間、信號采樣的寬度以及采樣次數。電容C1用來對信號進行累積，同時具有高頻濾波作用。在采樣完成后的瞬間關閉U1，OP27的輸出電壓將會停止增大。由于電容的放電通道被截斷，OP27輸出端的電壓將維持不變。用AD對該電壓進行采樣，采集完成后控制U2的IN2通道導通，對電容放電并對AD轉換后的數據進行存儲，以便對下一個信號進行積分取樣。我們可以推出輸出電壓公式如下：

其中，t1為積分的起始時間，t2為積分的截止時間。在積分結束的瞬間，U1的開關截止，運算放大器輸出端的電壓值為前一時刻積分電壓值，用模數轉換器采樣該電壓。輸出電壓采樣后，用單片機控制模擬開關U2的一路開關導通，電容器放電，以便進行下一個信號的積分取樣.在實際試驗中，積分時間（信號寬度）應選擇合適。積分時間短，對鑒別套損微小差異信號效果不明顯。積分時間過長，會降低對微小損傷信號的分辨能力。

3 試驗結果

積分前后信號對比如圖6（a）和6（b）所示。

通過對實驗中積分前后的信號波形對比來看，積分電路改善了系統的信噪比，提高了信號的識別能力，噪聲也基本上被抑制掉，顯示波形比較穩定。

4 結論

運用取樣積分方法對提高信號的信噪比作用明顯，使得實時采集并以軟件工具顯示的信號質量大大提高；但與此同時，積分處理使AD芯片的采樣數據還原為模擬接收響應信號變得復雜，如圖7所示，也就是對于在積分取樣窗口中一個不定階的樣條函數的積分值，如何用數學或工程的實現方法還原為或直接得到其在窗口邊界上的值，進而做插值等處理還原為接收模擬響應。

圖7 積分采樣與還原示意

對于這個問題可以選擇對探頭接收信號不積分而進行密集采樣的方法得到，而這兩種數據采樣方案的矛盾性深刻地體現了瞬變方法處理時域響應信號的難度。而采用普通的非積分采樣加軟件濾波的方法，容易濾除掉晚期信號所包含重要的介質信息，因此這兩種采樣方案各有利弊，應根據實際情況加以取舍，或者也可以考慮將二者同時在采集電路中實現。

[1]高晉占．微弱信號檢測[M]．北京:清華大學出版社,2004:200-202．

[2]嵇艷鞠．淺層高分辨率全程瞬變電磁系統中全程二次場提取技術研究[D]．吉林大學,2004．

[3]Aydiner A A,Chew W C,Cui T J,etal．3-D imaging of large scale buried structure by 1-D inversion of very early time electromagnetic(VETEM) data[J]．Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2001,39(6):1307-1315．

[4]Behroozmand A A,Auken E,Fiandaca G,et al． Improvement in MRS parameter estimation by joint and laterally constrained inversion of MRS and TEM data[J]．Geophysics,2012,77(4): WB191-WB200．

[5]王勇,季振山,羅家融．自動補償低零漂積分器設計[J]．計算機測量與控制,2006,14(4):530-532．

[6]宋汐瑾．生產井瞬變電磁探測理論與方法研究[D]．西安電子科技大學,2012．

國家自然科學基金“基于線源的井間剩余油探測理論和方法”（41174160）資助。

李志強，西安石油大學在讀研究生，電子與通信工程專業，主要研究方向為電子科學與技術。