一种井下微弱信号检测方法及系统与流程

1.本发明涉及微弱信号检测领域，具体是关于一种井下微弱信号检测方法及系统。


背景技术：

2.微弱信号检测的应用背景主要在极端条件下，包括部分军工领域、航天领域以及石油开采领域。在钻采过程中，随钻测量和电磁感应传输均需要进行微弱信号的处理以及后续的检测，但是在复杂的地下磁场环境中，会不可避免地引入噪声，带来信息损失，导致本就微弱的电磁信号更加难被检测到。同时，在传输距离增大时，信号的幅度会急剧衰减，从而更容易被噪声淹没。硬件检测电路的噪声对于微弱信号的检测影响也很大，信号放大器的固有噪声与频率成反比，仅靠硬件电路无法实现超低频信号的检测。因此，尽可能地去除信号中的噪声并提取出信号的真实频率，恢复信号的幅度，具有重要的实际意义。完成此项任务，能够保证钻采过程中保持高精度井眼轨迹的控制，大幅提高钻采的效率。
3.现有技术公开了一种用于检测电磁辐射微弱信号方法，该方法给出了包括接收微弱信号的检测模块以及相关的方法，但是由于其首先通过大量的模拟电路对信号先进行噪声的处理和信号的滤波，导致本就微弱的电磁感应信号在传输时进一步加入模拟电路带来的噪声，更在传输距离增大时，信号变得更加微弱，其复杂的内容并不能够在井下随钻过程中检测到带有大量噪声的信号。现有技术还公开了一种井下无线电磁通讯方法，能够实现近钻头采集的底层参数数据通过无线电磁通讯的方式进行数据上传，但是由于井下十分复杂的地层参数和电磁波传输过程中存在不可避免的衰减问题，使得地面接收系统接收的数据含有很大的噪声，对接下来的信号处理以及解调产生极大的影响；且该方法并没有对信号提取进行研究，导致在进行信号频率重构和强度还原时无法完全排除噪声的干扰，导致信号传输的精度较低。现有技术还公开了一种去卷积功率谱估计方法，该方法为微弱信号检测常用的一类方法，这类方法在普通场景的微弱信号检测时具有一定的价值和意义，但是在信号通过加窗函数预处理时，必定会导致带来信号频率谱旁瓣的影响，此时采用该方法精度将受到一定影响。
4.因此，需要一种能够在随钻测井这种特殊的场景下完成井下微弱信号检测的方法。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在随钻测井场景下完成井下微弱信号检测的井下微弱信号检测方法及系统。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种井下微弱信号检测方法，包括：
7.对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的dft幅度谱；
8.采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的dft幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；
9.求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率。
10.进一步地，所述对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的dft幅度谱，包括：
11.对井下随钻微弱信号进行预处理，包括信号放大、模数转换和低通滤波；
12.根据设定的信号采集数据长度，对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的dft幅度谱。
13.进一步地，对预处理后的井下随钻微弱信号的0≤ω《π区间内进行采样，采样值xr(k)为：
[0014][0015]
其中，为x(n)的幅度谱；k为采样点序号，且k＝0,1,
…
,n/2-1，n为信号采集数据长度；f0为井下随钻微弱信号x(n)的数字频率；ω为角频率。
[0016]
进一步地，所述采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的dft幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，包括：
[0017]
确定井下随钻微弱信号的dft幅度谱xk(k)中最大值对应的频率序号k
max
，并将其作为第一个谱峰值；
[0018]
搜索dft幅度谱xk(k)中与最大值相邻的次最大值对应的频率序号k
max0
，并将其作为第二个谱峰值；
[0019]
设定采样参数，并根据设定的采样参数以及第一个谱峰值和第二个谱峰值，得到条件约束方程；
[0020]
根据条件约束方程，重构井下随钻微弱信号的真实频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程。
[0021]
进一步地，所述条件约束方程为：
[0022][0023]
其中，xr(k
max
)、xr(k
max0
)分别为k＝k
max
和k＝k
max0
时得到的对应幅度谱强度；
[0024]
所述井下随钻微弱信号真实频率的估计方程为：
[0025][0026]
其中，fs为采样频率。
[0027]
进一步地，所述求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率采用阻尼牛顿法或迭代求解法。
[0028]
进一步地，所述阻尼牛顿法求解估计方程的具体过程为：
[0029]
①
将井下随钻微弱信号真实频率的估计方程作为初始值x
(0)
，并设定允许误差
ε；
[0030]
②
计算初始值x
(0)
经过t次迭代后的值x
(t)
处的梯度g
t
和hesse矩阵h
t
；
[0031]
③
确定x
(t)
处的梯度g
t
是否满足设定的允许误差ε，若满足，则停止迭代，以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0；否则，进入步骤
④
；
[0032]
④
从x
(0)
处出发，确定对应的最优步长λ0；
[0033]
⑤
根据确定的最优步长λ0，更新迭代结果x
(1)
＝x
(0)
λ0·d(0)
；
[0034]
⑥
进入步骤
④
从x
(1)
处出发，经过t次迭代操作，得到最终的输出x
(t)
，并以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0。
[0035]
第二方面，提供一种井下微弱信号检测系统，包括：
[0036]
采样模块，用于对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的dft幅度谱；
[0037]
双谱峰模块，用于采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的dft幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；
[0038]
估计方程求解模块，用于求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率。
[0039]
第三方面，提供一种处理设备，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理设备执行时用于实现上述井下微弱信号检测方法对应的步骤。
[0040]
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述井下微弱信号检测方法对应的步骤。
[0041]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0042]
1、针对微弱信号在模拟电路中加入噪声太大的问题，本发明采用数字滤波的方式对信号加窗并进行后期处理，以避免带来太多的电路噪声。
[0043]
2、针对由于信号加窗后无法准确锁定谱峰的问题，本发明采用双谱峰检测算法，通过对采样点前后的双谱峰进行估计，以得到准确谱峰的迭代估计方程，相对于目前现有技术中采用的单谱峰搜索算法，能够提高信号频率检测的精度。
[0044]
3、针对最后的谱峰位置迭代求解，本发明采用高效的阻尼牛顿法，相对于其他方法更适合井下微弱信号的检测，能够提高谱峰的求解速度和精度，可以广泛应用于微弱信号检测领域，尤其可以应用于涉及井下随钻微弱信号以及其他要求较为苛刻、环境噪声较多场景中的微弱信号检测中。
附图说明
[0045]
图1是本发明一实施例提供的方法整体流程示意图；
[0046]
图2是本发明一实施例提供的方法中双谱峰搜索算法的流程示意图；
[0047]
图3是本发明一实施例提供的方法中阻尼牛顿法的流程示意图；
[0048]
图4是本发明一实施例提供的采用本发明后的实验效果示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发
明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0050]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0051]
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0052]
本发明实施例提供的井下微弱信号检测方法及系统，采用数字滤波方式对微弱信号进行初步滤波，采用双谱峰搜索算法在信号幅度谱主瓣内搜索两个谱峰的频率，以此重构信号频率的估计方程，基于此采用高效的迭代求解法对估计方程进行求解，得到微弱信号的的频率估计值，准确性高、稳定性强，相对于现有技术中的其他方法更适合于井下微弱信号的检测，提高信号频率求解的效率和精度。
[0053]
实施例1
[0054]
如图1所示，本实施例提供一种井下微弱信号检测方法，包括以下步骤：
[0055]
1)采用传统的信号放大电路，对井下随钻微弱信号x(n)进行信号放大，其中，井下随钻微弱信号x(n)为频率在1～4hz范围内变换的正弦信号，通过信号放大得到一定程度幅值放大后的信号，同时也带来一部分电路的固有噪声。
[0056]
2)采用ad转换电路，对信号放大后的微弱信号进行模数转换，并采用数字低通滤波器，对模数转换后的微弱信号进行低通滤波，尽量消除工频噪声等高频率噪声。其中，ad转换电路可以采用adi公司的型号为adc7712的双通道24位δ-σ型模数转换器，数字低通滤波器可以采用截止频率为10hz的数字低通滤波器。
[0057]
3)根据设定的信号采集数据长度，对低通滤波后的井下随钻微弱信号x(n)进行采样，得到井下随钻微弱信号x(n)的dft幅度谱xk(k)，具体为：
[0058]
3.1)设定信号采集数据长度n，井下随钻微弱信号测量需要保证采集的井下随钻微弱信号x(n)的数据长度为有限值。
[0059]
3.2)根据设定的信号采集数据长度n，对滤波后的井下随钻微弱信号x(n)进行采样，则对应滤波后的井下随钻微弱信号x(n)与长度为n的矩形窗w(n)相乘，矩形窗的幅度谱wr(ω)为：
[0060]
[0061]
其中，ω为角频率，由此可以得到井下随钻微弱信号x(n)的幅度谱为：
[0062][0063]
其中，ω0为微弱信号的角频率；a为微弱信号的幅度；xr(ω)为井下随钻微弱信号x(n)的幅度谱。
[0064]
在真实采样并进行dft变换(离散傅里叶变换)时，井下随钻微弱信号x(n)的离散傅里叶变换幅度谱xk(k)是对井下随钻微弱信号x(n)的幅度谱在0～2π范围内的n等分采样值，采样点的频率间隔为本实施例中对井下随钻微弱信号的0≤ω《π区间内进行采样，采样值xr(k)为：
[0065][0066]
其中，k为采样点序号，且k＝0,1,
…
,n/2-1；f0为井下随钻微弱信号x(n)的数字频率。
[0067]
4)如图2所示，采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号x(n)的dft幅度谱xk(k)，搜索井下随钻微弱信号x(n)的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程具体为：
[0068]
4.1)确定井下随钻微弱信号x(n)的dft幅度谱xk(k)中最大值对应的频率序号k
max
，进而可以确定信号的频率。由于实际情况中无法保证信号角频率ω0刚好为采样间隔的整数倍，采用单谱峰搜索方法会带来误差。
[0069]
4.2)将dft幅度谱xk(k)中最大值对应的频率序号k
max
作为第一个谱峰值。
[0070]
4.3)搜索dft幅度谱xk(k)中与最大值相邻的次最大值对应的频率序号k
max0
，并将其作为第二个谱峰值。
[0071]
4.4)实际中，需要结合实施环境的要求设定采样参数，并根据设定的采样参数以及第一个谱峰值和第二个谱峰值，得到条件约束方程。其中，采样参数包括采样频率和信号的数字频率范围，可以根据具体要求进行设定，在井下随钻测量中，微弱信号的采样频率一般在1～4hz。例如：微弱信号需要经过20hz的低通滤波，采样频率选择50hz进行采样，信号的数字频率范围为0.02～0.08。
[0072]
在微弱信号检测中，由于信号采集数据长度n＞＞1且井下随钻微弱信号x(n)的数字频率f0《0.1，则：
[0073]
sin[π(k/n-f0)]≈π(k/n-f0)
ꢀꢀ
(4)
[0074][0075]
根据上述公式(4)和(5)，由双谱峰k
max
和k
max0
之间的关系，可以得到条件约束方程为：
[0076][0077]
其中，xr(k
max
)、xr(k
max0
)分别为k＝k
max
和k＝k
max0
时，通过公式(5)得到的对应幅度谱强度；k
max
为对应幅度谱最大的采样频率序号；k
max0
为与幅度谱最大值采样序号相邻的次最大值所对应采样频率的序号。
[0078]
4.5)根据条件约束方程，重构井下随钻微弱信号x(n)的真实频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程
[0079][0080]
其中，fs为采样频率。
[0081]
5)如图3所示，采用阻尼牛顿法，求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程得到井下随钻微弱信号的真实频率。在进行双谱峰的选取时，当采样间隔较大时无法保证准确的牛顿方向，牛顿法可能会存在不收敛的可能，阻尼牛顿法在牛顿法的基础上，每次迭代出计算更新方向，还需要对最优步长进行搜索，具体为：
[0082]
5.1)将井下随钻微弱信号真实频率的估计方程作为初始值x
(0)
，并根据实际情况，设定允许误差ε。
[0083]
5.2)计算初始值x
(0)
经过t次迭代后的值x
(t)
处的梯度g
t
和hesse矩阵h
t
，其中，hesse矩阵在本实施例中为二阶导数g
t
′
。
[0084]
5.3)确定x
(t)
处的梯度g
t
是否满足设定的允许误差ε，若满足，即当|g
t
|《ε时，则停止迭代，以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0；否则，进入步骤5.4)。
[0085]
5.4)从x
(0)
处出发，确定对应的最优步长λ0：
[0086]
5.4.1)从x
(0)
处出发，根据计算的梯度g0和hesse矩阵h0，计算x
(0)
处的牛顿方向d
(0)
：
[0087][0088]
5.4.2)以x
(0)
处的牛顿方向d
(0)
作为搜索方向进行搜索，得到最优步长λ0：
[0089][0090]
5.5)根据确定的最优步长λ0，更新迭代结果：
[0091]
x
(1)
＝x
(0)
λ0·d(0)
ꢀꢀ
(10)
[0092]
5.6)进入步骤5.4)从x
(1)
处出发，经过t次迭代操作，得到最终的输出x
(t)
，并以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0，井下随钻微弱信号的幅度a为：
[0093][0094]
上述步骤5)中，也可以采用简单的迭代求解法替换阻尼牛顿法对井下随钻微弱信号真实频率的估计方程进行求解，具体过程在此不多做赘述。
[0095]
如图4所示，为采用本发明的井下微弱信号检测方法进行模拟的实验表现，可以看出原始微弱信号经过本发明方法处理后得到的检测信号，能够完全消除杂波干扰，得到了干净的正弦信号。
[0096]
如下表1所示为采用本发明方法中的双谱峰搜索算法和采用单谱峰搜索算法的对比：
[0097][0098]
可以看出双谱峰搜索算法相对于普通单谱峰算法，在微弱信号检测的相对误差上更小，检测效果更好，同时在噪声较大的情况下，也能够滤除大部分的噪声，抗噪性能更好。本发明方法明的效果较传统算法，信号检测相对误差更小，抗噪性能优越。
[0099]
实施例2
[0100]
本实施例提供一种井下微弱信号检测系统，包括：
[0101]
采样模块，用于对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的dft幅度谱。
[0102]
双谱峰模块，用于采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的dft幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程。
[0103]
估计方程求解模块，用于求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率。
[0104]
实施例3
[0105]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的井下微弱信号检测方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
[0106]
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的井下微弱信号检测方法。
[0107]
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0108]
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
[0109]
实施例4
[0110]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的井下微弱信号检测方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的井下微弱信号检测方法的计算机可读程序指令。
[0111]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0112]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。