感应测井仪中相敏检波电路改进研究.doc

(完整word)感应测井仪中相敏检波电路改进研究

感应测井仪中相敏检波电路的改进研究
王楠
(西安方元能源工程有限责任公司 油田测井分公司 33144队）
【摘要】
针对现行感应测井仪中模拟相敏检波器存在的缺点,按照数字信号处理的思路，提出了一种全新的数字相敏检波器的设计思路，并对其信号处理流程进行了严格的代数分析，给出了其实现框图。
【关键字】
感应测井仪 数字信号处理 数字相敏检波
Study On Phase Sensitive Demodulation In Induction Logging Tool
Wangnan
(xi’an fangyuan energy engineering CO。LTD Logging branch 33144 )
Abstract
In consideration of the problems existed in the PSD of induction logging tool at present，give a fully new way to design digitalization phase sensitive demodulation in induction logging tool based on digital signal process，and analysed it’s signal processing strictly by the way of mathematic ,and a graphics on how to realize it.
Keywords
Induction logging tool ， Digital signal process, Digitalization phase sensitive demodulation

目前国内生产中使用的各种感应测井仪，其电路原理都大同小异.主要由以下几部分组成：20KHZ信号发生器、测量信号放大器、参考信号放大器和相敏检波电路，而相敏检波电路是整个电子线路的核心.目前国内使用的感应测井仪中的相敏检波电路都使用模拟器件，因此导致其分辨率低,不能进行薄层分析;数字化程度低，信号处理过程中易受干扰,传输效率低； 导致无用信号和有用信号的分离不够彻底，从而影响测量精度；受井眼、侵入、围岩等环境影响和趋肤效应影响比较严重，因此所提供的地层电阻率不够准确，不能满足测井发展的需要。
尤其是目前的感应测井仪中，把X-信号当作无用信号予以消除,实际上X-信号既包含了发射线圈对接受线圈的直耦信号，也包含了电磁波在导电介质中传播时由于相位变化而产生的正交信号，前者时要剔除的无用信号，后者却是与地层性质有关的有用信号。数字化的检波电路正是既利用了有用信号R-信号,也包含了传统感应认为无用的X—信号，对信号采用数字化的处理方式，大大提高了感应测井精度.
1 相敏检波电路和感应测井仪中的相敏检波电路
相敏检波器（PSD）是一个有两个交流输入和一个直流输出的电路。一个交流输入是被测量的信号,另一个交流输入是参考信号，参考信号的频率与测量信号相同。如图1所示相敏检波器比较测量信号和参考信号的相位,输出测量信号中与参考信号同相位的成分。其幅度正比于同相分量。

相敏检波
输入信号
参考信号
直流输出

感应测井是利用电磁感应原理测量地层电导率的测井方法.其测量原理如图所示：正弦波振荡器发出20KHZ强度一定的交流电流激励发射线圈。在任一时刻的发射电流可表示为：

式中为电流幅度值； 为发射电流的角频率。这个电流就会在井周围地层中形成交变电磁场。设想把地层分割成许多以井轴为中心的地层元环,每个地层元环相当于具有一定电导率的线圈.发射电流形成的电磁场就会在这些地层元环中感应产生电动势，其大小可由下式给出:

式中M为发射线圈和地层元环之间的互感.从公式不难看出感应电动势滞后发射电流,于是地层元环内的感应电流可表示为:

的大小取决于地层的电导率.这个环电流又形成二次交变电磁场，在二次电磁场的作用下，接受线圈中产生感应电动势，即：

式中为地层元环和接受线圈之间的互感.接受线圈电压正比于地层元环电导率,且与发射电流反相。互感取决于地层元环的位置和几何尺寸。
在接受线圈中除了二次电磁场产生的感应电动势外,发射电路电流所形成的一次电磁场也引起感应电动势。这种由发射线圈对接受线圈直接耦合产生的感应电动势可表示为：

式中为两线圈之间的互感。直接耦合引起的感应电势与发射电流相位差，且和地层电导率无关。因此接受线圈给出的信号包含了两个分量：与地层电导率成正比的，它和发射电流相位差；与地层电导率无关的直耦信号，它和发射电流相位差。因此，两者相位差180度,相敏检波的目的就是要检出R—信号，剔除X-信号.
2 现行感应测井仪中的相敏检波电路及存在缺陷
相敏检波的目的是从输入信号检出相位与参考信号相同的成分。从图中可知，双三极管Q1，Q2作为开关管使用，与输入变压器，输出电路接成全波整流电路。参考信号作为控制信号加在Q1,Q2管的栅极和阴极之间。Q1，Q2管是否导通就取决于测量信号和参考信号的相位关系.由于测量信号中的R-信号分量与R—参考信号同相,因此当变压器T—193，T191的同名端如图所示，且在R—信号和参考信号的正半周时，Q1导通，负办周时,Q2导通.于是在测试点TP1得到R—信号的全波整流波形，再经过L1,C1,C2以及L-193，C1；L-194,C4组成滤波器，因此送到缆芯的是与R-信号大小成正比的直流电平。当然，直流电平大小还和R-信号与R—参考信号的相位有关，如果完全不同相,存在某一相位差,则输出的直流电平会有所下降。对于测量信号中的X-信号，由于它与R—参考信号相位差180度，经过相敏检波后的输出波形如图所示，是正负相等的，通过滤波后，输出直流电平为零。至此,通过相敏检波，从测量信号中把R-信号分检出来。
可以看出,传统的相敏检波以模拟器件为核心，因此相敏检波中模拟信号存在受干扰大，尤其是受分布电阻，电容和电感的影响大，信号衰减大等缺点,最主要的是在相敏检波中由于使用三极管以因而存在漂移以及管压降从而极大的影响感应测量精度.

T-193
6~11

T-191
3~4

T-191
6~5
Q1
Q2
TP1

输出

相敏检波电路波形输出图
3 改进后的相敏检波电路信号处理理论支持
从上面可以看出传统感应仪中的相敏检波电路是利用了其认为有用信号，对其认为的无用信号进行了剔除,并且在实现电路上始终采用模拟信号的处理方法，电路中其灵魂器件采用模拟器件三极管。其实在实际测量过程中并不是完全无用的信号，由于受地层电导率的影响，电磁波在地层中传播时将有很大的幅度衰减和相位移动,因而我们可以把感应测井接收到的信号是量化为两部分：具有实部（R-分量）和虚部（X —分量）的信号。虚部分量中的很强的成分是“直接耦合"信号，实部和虚部分量中均有反映地层电导率的信息.并不是象传统的感应测井仪摒弃了虚部信号.数字化的相敏检波电路就是来彻底分离实部信号和虚部信号的。下面对其信号处理进行严格的数学分析：
假设测量信号d（t）为：

发射信号为：
；
根据感应测井原理，实部信号为：；
虚部信号为：。
其中，D，C,,，分别为接收信号、发射信号、实部信号、虚部信号的幅度.由于复合信号是由实部和虚部合成的，即，故有；。假设采样区间为T， 现对式在T上进行付氏变换得:

其中
又因为，所以，即就是，同理可得：,
由上面可见，只要把测量信号乘上对应同频率零相位的正弦波和零相位的余弦波，也就是进行傅立叶变换后就可以直接分离出实部和虚部信号！这为数字相敏检波提供了理论支持，在实际处理中对各信号采用离散化处理方法，即把积分变作求和处理。用现行流行的数字信号处理(DSP）芯片通过编程可轻松实现以上功能。

4 改进的相敏检波电路实现框图,
数字相敏检波是采用A/D转换器和数字乘法器来实现的。输入信号x（t）和参考信号r（t)先通过A/D转换成数字量，运用数字信号处理器(DSP）完成互相关运算，实现相敏解调。其原理图如图所示。

5 改进后的相敏检波电路优点及前景分析
改进后的相敏检波电路采用数字信号处理方法，彻底的使有用信号和无用信号分离，大大提高了测量精度,完全摒弃了传统的以模拟器件为核心的模拟相敏检波，因此避免了传统的相敏检波中模拟信号受干扰大，尤其是受分布电阻，电容和电感的影响大，信号衰减大等缺点，最主要的是在相敏检波中以前的三极管存在漂移以及管压降从而极大的影响感应测量精度。采用数字化的相敏检波，完全避免了这个问题。下面对其可能产生的测量误差进行分析:
从本文式的计算中可以看出，只要每个采样点都没有相位误差，正弦或余弦信号正负累计的误差可以相互抵消，计算本身几乎不产生误差；反之,如果每个采样点都有很大的相位误差,正弦或余弦信号正负累积将产生很大的相位误差。在电路实现上若采用DSP控制A/D采样的起始,会由于软件的定时不够精确造成采样点的累积相位误差，对整个实部和虚部的计算结果造成很大误差。比如说采用式中频率为55MHz的DSP,其指令周期为18ns,则定时3。125μs的误差为正负18ns，假设由于这18ns的误差引起相位变化x度，一个周期下来相位就变化了16x，到第16个采样周期下来就是256x度的相位误差，随着采样周期的增加，相位误差的累积会越来越大，因此考虑采用FPGA来控制模数转换的起始，因为FPGA是通过硬件逻辑来控制A/D转换起始的，产生的误差只有硬件本身的逻辑延迟，而这个延迟最小可以控制到5ns,而且这个延迟不累加。
目前就笔者所知,国内感应测井仪基本上采用的都是传统的相敏检波。西安石油大学目前已申请了名为一种感应测井仪中的相敏检波电路的专利，其专利号为（），笔者虽无法得知其设计思路和具体实现方法，但可以肯定的是，其一定采用的是数字化的信号处理方式，有了先进的理论支持,我们一定能制造出比其更先进的仪器。因此改进后的相敏检波电路更好的从地层中提取了与油气有关的信号，从而直接使整个感应测井仪器的精度和分辨率大大提高。

参考文献】：
[1］冯启宁 郑学新 测井仪器原理(电法测井仪器）。 山东， 东营。：石油大学出版社. 1991
［2]丁次乾 矿场地球物理 山东，东营:石油大学出版社 1992
[3］李利品 党瑞荣 FPGA在高分辨率感应测井仪中的应用 西安石油学院学报， 2003, 18

【附件】

模拟相敏检波电路图