三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，包括：1塊控制板和13塊完全相同的采集板。控制板中的采集控制模塊接收來自井上系統(tǒng)發(fā)出的命令后，對13塊采集板進行初始化和相關(guān)參數(shù)配置，采集板的微弱信號同步采集處理模塊利用初始化脈沖和回傳脈沖進行計數(shù)得到延遲時間，當(dāng)檢測到采集控制模塊發(fā)出啟動采集命令時，13塊采集板各自延遲相應(yīng)時間再進行聲波數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。采集控制模塊通過數(shù)據(jù)通道接收來自13塊采集板104通道的聲波數(shù)據(jù)，再利用聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊對數(shù)據(jù)進行實時無損壓縮，然后把壓縮的結(jié)果上傳，從而獲取到更精確的聲波信號和聲波時差信息，同時減少聲波數(shù)據(jù)的傳輸量，大大提高測井效率。
【專利說明】三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微弱信號采集與處理【技術(shù)領(lǐng)域】，更為具體地講，涉及一種三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維聲波測井是在正交偶極聲波測井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代聲波測井技術(shù)，其測量原理是利用目前所有的聲波，即單極、偶極及斯通利波測量模式對各種頻帶的波形進行綜合測量以獲取地層的三維聲波特性，即縱波時差、橫波及斯通利波在井筒軸向、徑向和周向的變化，對地層特性的方位性提供完整的描述。通過該技術(shù)可以清晰地對均質(zhì)地層和非均質(zhì)地層的各向異性及各向異性形成的各種機理進行分析。
[0003]與正交偶極聲波測井技術(shù)相比，三維聲波測井需要觀察的波形種類要多且某些種類的波形幅度很微弱，這就對井下電路的噪聲性能提出很高的要求。三維聲波測井要采集104通道的波形，這就對實現(xiàn)通道波形的一致性提出了一個很大挑戰(zhàn)。某些波形幅度微弱，這就需要高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而每個數(shù)據(jù)的位數(shù)很寬，104通道的波形數(shù)據(jù)必將是很驚人的數(shù)據(jù)量，傳輸時間將會遠遠大于傳統(tǒng)的聲波測井。因此如何降低聲波數(shù)據(jù)傳輸時間，提高測井效率，這也是一個難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，使井下儀器能夠獲取到更精確的聲波信號和聲波時差信息，同時減少聲波數(shù)據(jù)的傳輸量，大大提高測井效率。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于包括:含有內(nèi)嵌8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路與微弱信號同步采集處理模塊的13塊采集板，以及含有內(nèi)嵌采集控制模塊和聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊的控制板；
[0006]所述8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路包括:
[0007]—電荷放大器；電荷放大器作為前置接收電路，負(fù)責(zé)對壓電式傳感器輸出信號的接收，接收時，將壓電式傳感器高輸出阻抗的電荷信號用不同檔位轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗的電壓信號；
[0008]一程控放大器；程控放大器對電荷放大器輸出的電壓信號進行放大或衰減；
[0009]一高通濾波器；高通濾波器負(fù)責(zé)對程控放大器放大或衰減后的聲波信號進行截止頻率為500Hz的高通濾波；
[0010]— ADC驅(qū)動器；ADC驅(qū)動器將濾波后的單端輸入信號轉(zhuǎn)換成差分的輸出信號；同時用ADC驅(qū)動器可以實現(xiàn)截止頻率為23kHz的二階低通濾波器，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器；
[0011]控制板的采集控制模塊在系統(tǒng)初始化的時刻，通過命令通道發(fā)送一個初始化脈沖，離控制板較近的12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊用本地高精度時鐘在檢測到脈沖的時刻，啟動計數(shù)器并開始計數(shù)，當(dāng)最遠采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到初始化脈沖時，直接把該脈沖通過數(shù)據(jù)通道回傳給控制板，而其它12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到該回傳脈沖時，停止本地計數(shù)器的計時并得到一個計數(shù)值，當(dāng)控制板的采集控制模塊發(fā)送啟動采集信號時，每塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊延遲所得計數(shù)值一半的本地時鐘周期數(shù)后，再對8個通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路的差分輸出信號進行采集并發(fā)送至控制板；
[0012]內(nèi)嵌采集控制模塊接收到來自井上系統(tǒng)的命令后，通過命令通道對13塊采集板進行初始化和參數(shù)配置，當(dāng)接收到來自13塊采集板104通道的聲波數(shù)據(jù)時，采用內(nèi)嵌的聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，并將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳到井上系統(tǒng)；在初始化時刻，采集控制模塊還負(fù)責(zé)發(fā)送初始化脈沖信號，對13塊采集板進行同步設(shè)置。
[0013]其中，所述的8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路中的8個通道完全同步。
[0014]所述的電荷放大器由偏置電流很小、輸入阻抗很大和電壓噪聲密度很小的FET輸入級的運算放大器來實現(xiàn)。
[0015]所述的電荷放大器的輸出信號在不超過所使用的運算放大器輸出范圍時，電荷放大器選擇使其輸出信號不失真并且增益最高的檔位。
[0016]所述的初始化脈沖和回傳脈沖選用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA檢測，并對兩脈沖之間的時間進行計數(shù)，將所得到的計數(shù)值的一半作為延遲時鐘周期的個數(shù)。
[0017]所述的聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊采用12位定長編碼雙字典結(jié)構(gòu)的LZW算法，并以硬件FPGA實現(xiàn)LZW算法。
[0018]本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的:
[0019]本發(fā)明三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，包括:1塊控制板和13塊完全相同的采集板?？刂瓢逯械牟杉刂颇K接收來自井上系統(tǒng)發(fā)出的命令后，對13塊采集板進行初始化和相關(guān)參數(shù)配置，采集板的微弱信號同步采集處理模塊利用初始化脈沖和回傳脈沖進行計數(shù)得到延遲時間，當(dāng)檢測到采集控制模塊發(fā)出啟動采集命令時，13塊采集板各自延遲相應(yīng)時間再進行聲波數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。采集控制模塊通過數(shù)據(jù)通道接收來自13塊采集板104通道的聲波數(shù)據(jù)，再利用聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊對數(shù)據(jù)進行實時無損壓縮，然后把壓縮的結(jié)果上傳，從而獲取到更精確的聲波信號和聲波時差信息，同時減少聲波數(shù)據(jù)的傳輸量，大大提高測井效率。
[0020]同時，本發(fā)明三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理的系統(tǒng)還具有以下有益效果:
[0021](I)、設(shè)計出來一個低噪聲并且高信噪比的聲波模擬信號調(diào)理電路，對微弱信號的采集能達到很高的精度，對實際測井的結(jié)果分析提供了一個很好的基礎(chǔ)。
[0022](2)、本發(fā)明設(shè)計一個同步精度很高的104通道信號采集，能夠使得測井儀器得到一個非常精確的聲波信號時差參數(shù)。
[0023](3)、本發(fā)明采用基于字典編碼的LZW算法對104道聲波數(shù)據(jù)進行實時無損數(shù)據(jù)壓縮，在測試中能夠達到很好的壓縮效果，大大減少聲波數(shù)據(jù)的傳輸量，提高了測井效率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1是三維聲波測井儀器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖3是圖2所示低噪聲模擬信號調(diào)理電路的原理示意圖；
[0027]圖4是圖3所示電荷放大器的主要噪聲源示意圖；
[0028]圖5是圖3所示電荷放大器【具體實施方式】的電路原理圖；
[0029]圖6是圖3所示程控放大器【具體實施方式】的電路原理圖；
[0030]圖7是圖3所示高通濾波器的【具體實施方式】的電路原理圖；
[0031]圖8是圖3所示ADC驅(qū)動器的【具體實施方式】的原理圖；
[0032]圖9是圖2所示微弱信號同步采集處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖10是圖2所示聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊的一【具體實施方式】流程圖；
[0034]表I是一種聲波數(shù)據(jù)流的壓縮流程表。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。
[0036]實施例
[0037]圖1是三維聲波測井儀器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]如圖1所示，三維聲波測井儀器采用三個單極發(fā)射換能器和兩個正交的偶極發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，采用十三組接收換能器Rl?R13的接收陣列接收聲波信號。其中，三個單極發(fā)射器分別是上單極發(fā)射器、下單極發(fā)射器和遠單極發(fā)射器，上單極發(fā)射器和下單極發(fā)射器位于接收器陣列兩端，而遠單極發(fā)射器和兩個X、Y正交偶極發(fā)射器位于儀器下部的較遠處。三個單極發(fā)射器用于產(chǎn)生不同源距的縱波、橫波和斯通利波，X、Y偶極發(fā)射器用于產(chǎn)生彎曲波。通過不同組合模式可獲得所需要的多種模式波形數(shù)據(jù)。
[0039]圖2是本發(fā)明三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)示意圖。
[0040]圖3是圖2所不低噪聲模擬彳目號調(diào)理電路的原理不意圖。
[0041]在本實施例中，如圖2所示，三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)包括I塊控制板和13塊完全相同的采集板?？刂瓢灏杉刂颇K和聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊。每塊采集板包含有8個通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路和微弱信號同步采集處理模塊，如圖3所示，8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路由電荷放大器、程控放大器、高通濾波器和ADC驅(qū)動器構(gòu)成，并且8個通道完全同步；控制板的采集控制模塊在系統(tǒng)初始化的時刻，通過命令通道發(fā)送一個初始化脈沖，離控制板較近的12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊用本地高精度時鐘在檢測到脈沖的時刻，啟動計數(shù)器并開始計數(shù)，當(dāng)最遠的采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到初始化脈沖時，直接把該脈沖通過數(shù)據(jù)通道回傳給控制板，而其它12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到該回傳脈沖時，停止本地計數(shù)器的計時并得到一個計數(shù)值，當(dāng)控制板的采集控制模塊發(fā)送啟動采集信號時，每塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊延遲所得計數(shù)值一半的本地時鐘周期數(shù)后，再對8個通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路的差分輸出信號進行采集并發(fā)送至控制板；
[0042]內(nèi)嵌采集控制模塊接收到來自井上系統(tǒng)的命令后，通過命令通道對13塊采集板進行進行初始化和參數(shù)配置，當(dāng)接收到來自13塊采集板104通道的聲波數(shù)據(jù)時，采用內(nèi)嵌的聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，并將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳到井上系統(tǒng)；在初始化時刻，采集控制模塊還負(fù)責(zé)發(fā)送初始化脈沖信號，對13塊采集板進行同步設(shè)置。
[0043]在本實施例中，控制板的采集控制模塊和聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊采用FPGA來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的發(fā)送緩存和接收緩存采用FPGA內(nèi)置的Block RAM來實現(xiàn)。
[0044]圖4是圖3所示電荷放大器的主要噪聲源示意圖。
[0045]如圖4所示，在本實施例中，C為系統(tǒng)等效電容，R為系統(tǒng)泄漏電阻，Rf是反饋電阻，Cf是反饋電容，InaS運放電流噪聲密度，EaS運放電壓噪聲密度，為反饋電阻熱噪聲密度，電荷放大器的輸出電壓如式(a)所示，同時對圖4所示電路進行噪聲分析得到輸出噪聲的頻譜密度的近似表達式如下式(b)所示，
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于包括:含有內(nèi)嵌8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路與微弱信號同步采集處理模塊的13塊采集板，以及含有內(nèi)嵌采集控制模塊和聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊的控制板； 所述8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路包括: 一電荷放大器；電荷放大器作為前置接收電路，負(fù)責(zé)對壓電式傳感器輸出信號的接收，接收時，將壓電式傳感器高輸出阻抗的電荷信號用不同檔位轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗的電壓信號; 一程控放大器；程控放大器對電荷放大器輸出的電壓信號進行放大或衰減； 一高通濾波器；高通濾波器負(fù)責(zé)對程控放大器放大或衰減后的聲波信號進行截止頻率為500Hz的高通濾波； 一 ADC驅(qū)動器；ADC驅(qū)動器將濾波后的單端輸入信號轉(zhuǎn)換成差分的輸出信號；同時用ADC驅(qū)動器可以實現(xiàn)截止頻率為23kHz的二階低通濾波器，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器； 控制板的采集控制模塊在系統(tǒng)初始化的時刻，通過命令通道發(fā)送一個初始化脈沖，離控制板較近的12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊用本地高精度時鐘在檢測到脈沖的時刻，啟動計數(shù)器并開始計數(shù)，當(dāng)最遠的采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到初始化脈沖時，直接把該脈沖通過數(shù)據(jù)通道回傳給控制板，而其它12塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊檢測到該回傳脈沖時，停止本地計數(shù)器的計時并得到一個計數(shù)值，當(dāng)控制板的采集控制模塊發(fā)送啟動采集信號時，每塊采集板的微弱信號同步采集處理模塊延遲所得計數(shù)值一半的本地時鐘周期數(shù)后，再對8個通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路的差分輸出信號進行采集并發(fā)送至控制板； 內(nèi)嵌采集控制模塊負(fù)責(zé)接收來自井上系統(tǒng)的命令，然后通過命令通道對13塊采集板進行初始化和參數(shù)配置，當(dāng)接收到來自13塊采集板104通道的聲波數(shù)據(jù)時，采用內(nèi)嵌的聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，并將壓縮后的數(shù)據(jù)上傳到井上系統(tǒng)；在初始化時刻，采集控制模塊還負(fù)責(zé)發(fā)送初始化脈沖信號，對13塊采集板進行同步設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的8通道的低噪聲模擬信號調(diào)理電路中的8個通道完全同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的電荷放大器由偏置電流很小、輸入阻抗很大和電壓噪聲密度很小的FET輸入級的運算放大器來實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的電荷放大器的輸出信號在不超過所使用的運算放大器輸出范圍時，電荷放大器選擇使其輸出信號不失真并且增益最高的檔位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的初始化脈沖和回傳脈沖選用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA檢測，并對兩脈沖之間的時間進行計數(shù)，將所得到的計數(shù)值的一半作為延遲時鐘周期的個數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維聲波近探頭104通道的微弱信號同步采集與處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的聲波數(shù)據(jù)實時無損壓縮模塊采用12位定長編碼雙字典結(jié)構(gòu)的LZW算法，并以硬件FPGA實現(xiàn) LZW算法。
【文檔編號】G01V1/40GK103901479SQ201410100409
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】師奕兵, 張偉, 張偉杰, 蔣天植, 馬東, 蒲利, 程瑤 申請人:電子科技大學(xué)